До космического холода и ниже⁠⁠

Предисловие: в прошлом посте рассматривали сверхпроводимость при температурах единицы и десятки Кельвин (в районе -270 градусов по Цельсию). Также такие температуры нужны для работы квантовых компьютерах на сверхпроводящих переходах и детекторов одиночных фотонов. Где такие температуры найти, если на Земле сейчас ниже -100 по Цельсию не бывает? Далее мы рассмотрим, как спуститься до космического холода и ниже. По традиции, длиннопост.

Сама температура - это вещь в себе: независящий от наших определений параметр системы, который мы может только охарактеризовать через что-то. Поэтому мы будет характеризовать через наиболее удобный в данной статье параметр - энергию движения. В горячих газе или жидкости частицы движутся быстрее, чем в холодных; в горячих твёрдых телах частицы колеблются сильнее, чем в холодных. При нагреве мы передаём частицам веществам энергию, при охлаждении - забираем.

Для охлаждения тела мы должны забрать у него энергию. Самый простой способ - отдать эту энергию более холодному телу. Если температура окружающей среды ниже температуры тела, тело будет охлаждаться, а окружающая среда нагреваться. Так, например, наши вещи охлаждаются, когда мы заходим в помещение с холодным воздухом, или сами спасаемся от жары, купаясь в водоёмах, где вода явно холоднее прогретого солнцем воздуха. Если же подходящего более холодного тела под рукой нет, нам придётся его сделать. Для этого вспомним некоторые вещи из термодинамики на примере холодильника.

При резком уменьшении объёма газа, он нагревается. С точки зрения термодинамики, над газом совершили работу, и затраченная на сжатие газа энергия перешла в его внутреннюю энергию, то есть на увеличение его температуры. При резком расширении процесс обратный - температура газа уменьшается. Термодинамика говорит нам, что газ потратил свою энергию на увеличение объема и совершение работы.

Обычный советский... есть в каждом доме...

Каждый холодильник состоит из двух устройств - одно для сжатия газа, другое для последующего его расширения. Компрессор сжимает газ, увеличивая его давление и температуру. Окружающая среда охлаждает сжатый газ, поэтому задняя сторона холодильника горячая. Газ под повышенным давлением проходит капилляр, попадает в область с давлением меньше, расширяется и охлаждается. Охлаждённый газ проходит по площади холодильной камеры, забирает тепло у продуктов и нагревается сам. После попадает в компрессор, и цикл повторяется снова.

На примере холодильника видно, что мы отлично умеем охлаждать газ, а с его помощью охлаждать всё остальное. Если мы из вышеописанной схемы выкинем холодильную камеру и контакт с окружающей средой, оставим только компрессор и капилляр, подберём степени сжатия и расширения так, чтобы газ больше охлаждался, чем нагревался, то получим машину для дросселирования. То есть, с каждым циклом температура газа будет уменьшаться. Альтернативный и более продуктивный подход по снижению температуры газа - это заставить его постоянно совершать работу.

Схема работы детандера, утащенная из Википедии

То есть, мы можем в цикле охлаждать газ всё больше и больше. Где же предел такого охлаждения? Пока газ не превратится в жидкость. К счастью, для большинства задач этого достаточно. Так температура кипения гелия 4.2 Кельвин (-269 градусов Цельсия) - самая низкая из газов. После сжижения гелий переливается в сосуд Дьюара (большой и очень качественный термос). Исследуемый образец погружается в гелий и охлаждается, также, как курочка в холодильнике.

Но что делать, если хочется температуру ещё ниже, но у нас уже жидкость? На помощь вновь приходит термодинамика. Многие помнят задачу о том, почему нельзя сварить яйцо на вершине Эвереста. Ответ: потому что при понижении давления температура кипения уменьшается, и на вершине Эвереста она будет 69 градусов Цельсия. Также мы вспоминаем, что при кипении энергия тратится - она уходит на преодоление частицей жидкости притяжения других частиц. Вооружившись этим знанием, мы возвращаемся к жидкому гелию. Если уменьшить давление, то гелий будет кипеть при меньшей температуре. Берём откачную вставку и помещаем в неё образец, один конец прикрепляем к насосу, создающему пониженное давление, а другой конец с капилляром помещаем в жидкий гелий - гелий проходит через капилляр, попадает в область с пониженным давлением, становится газом при температуре 1.5 Кельвин (-272 градуса по Цельсию). Это температура уже ниже той, которую принято считать температурой космоса.

Сосуд Дьюара, откачная вставка и ассистент преподавателя, объясняющий для чего это.

Но что делать, если мы хотим температуру ещё ниже? Тут уже обычным гелием не обойтись, нам понадобится его изотоп гелий-3. В отличии от стандартного гелия-4, у которого 2 протона и 2 нейтрона в ядре атома, у гелия-3 в ядре 2 протона и только 1 нейтрон. Из-за меньшей плотности возможно опустить температуру такого газа до значений в 0.15 Кельвин (-273.05 по Цельсию). Минусом является малая распространённость гелия-3 в окружающем мире, что приводит к необходимости его синтезирования искусственно.

RIP Чимс... Ты навеки в наших мемах

Гелием-3 и гелием-4 заправляют криостаты замкнутого цикла, чей принцип работы в общих чертах схож принципом работы холодильника. Такие криостаты уменьшают расход гелия, так как он меньше испаряется в окружающее пространство, в отличии от сосудов Дьюара. Такая техника уже является профессиональной и стоит весьма ощутимо. Более того, обычно цена предоставляется по запросу, так как криостаты для лабораторий делаются индивидуально исходя из необходимых характеристик.

Но что делать, если...

Придётся врубить термодинамику на максимум. При низких температурах смесь из гелия-4 и гелия-3 разделяется на 2 фазы - то есть гелий-3 обладает одними свойствами, а гелий-4 немного другими из-за разных плотностей, критических температур и других параметров. Это можно сравнить со спиртом и водой: при комнатной температуре оба вещества находятся в жидкой фазе и растворены друг в друге, но при понижении температуры вода замерзает при больших значениях, и два вещества разделяются, так как в разных фазах. Чтобы гелий-3 прошёл через гелий-4 нужно затратить энергию, и если мы заставим гелий-3 непрерывно течь через гелий-4, последний будет терять энергию, то есть охлаждаться. Так можно достичь температуры 0.01 Кельвин - навряд ли во вселенной существует место, где естественным образом возникла такая низкая температура. Такие рефрежираторы растворения ещё более редки и дороги, чем криостаты замкнутого цикла. Наиболее известные и ставшие уже почти нарицательными - BlueForce. Не реклама, потому что навряд ли у кого-то хватит средств его купить и места его разместить.

Но что делать...

В этом случае термодинамикой уже не справиться, потому что она рассматривает совокупность частиц газа. Если же мы действительно хотим более низких температур, мы должны действовать с одиночными атомами. Вспомним прошлые посты, где мы говорили про уровни энергии электрона или атома. Чтобы частица поднялась на уровень выше, она должна получить энергию, чтобы опустилась на уровень ниже, энергию она должна отдать. Мы можем манипулировать этим принципом следующим образом: при облучении атома он поднимается на уровень выше, откуда может спуститься на предыдущий уровень или на уровень меньше предыдущего, тем самым испуская фотон с большей энергией и охлаждаясь. Данный процесс вероятностный, то есть происходит не при каждом поглощении фотона, но экспериментаторы терпеливо ждут результата. Он получил название "сизифово охлаждение", потому что поднимаясь на уровень выше, атом падает ещё ниже, чем был. Таким образом можно достичь температур в 0.00001 Кельвин. Конечно, насколько понятие "температура" применимо к одиночному атому - это вопрос терминологии.

Этот мем ещё никогда не был так актуален.

Опустившись на самое дно температурной шкалы, мы можем оценить насколько сложный и увлекательный путь прошли технологии за какие-то пару сотен лет.