Svet pri absolútnej nule Peter Skyba O čom to dnes bude: - povieme si čo je teplota, škála teplôt a najnižšia teplota v prírode (?), - ako sa menia vlastnosti látok s klesajúcou teplotou, - čo je supravodivosť alebo prečo elektróny vytvárajú páry, - čo je supratekutosť a ktoré kvapaliny sú supratekuté, - aké sú najnižšie dosiahnuteľné teploty a ked sú hranice, - čo spája fyziku vysokých energií, kozmológiu s fyzikou ultra nízkych teplôt
Čo je to teplota? Čo rozumiete pod týmto pojmom?
Teplota [ Kelvin ] Košice jedno z najchladnejších miest vo Vesmíre Teplota a teplotná stupnica (Celziova a Kelvinova) 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 Jadrá horúcich hviezd Jadro slnka, jadrová energia Chemická energia 0 Kelvinov = - 273.15 o C 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 Teplota tavenia wolfrámu Teplota vhodná pre život (~ 300 Kelvinov) Teplota reliktného žiarenia vesmíru, 2,7K - najnižšia teplota v prírode Supratekuté 3He 10-4 10-5 10-6 50 K, najnižšia teplota v našom laboratóriu Na celom svete je asi 12 laboratórií schopných dosiahnuť veľmi nízke teploty (Lancaster, Grenoble, Helsinki, Moskva,..)
Košice jedno z najchladnejších miest vo Vesmíre Fyzika (veda) súčasť kultúry Veľmi nízke teploty - na čo je to dobré? Štúdium a pochopenie tých najzákladnejších vlastností hmoty, ktoré sú v nich prítomné, avšak sú maskované tepelným pohybom atómov stavebných častíc látok (entrópia usporiadanosť) S klesajúcou teplotou sa vlastnosti látok výrazne menia! Vlastnosti - elektrické, magnetické, mechanické,... Pre predstavu: Výšková teplotná stupnica: 1 Kelvin = 1 meter Izbová teplota 300 K = 300 metrov nad absolútnou nulou Teplota dosiahnutá v laboratóriu 50 μk = 0.00005 metra= 0.05 mm nad absolútnou nulou
Košice jedno z najchladnejších miest vo Vesmíre Ako sa dosahujú veľmi nízke teploty: - znížením tlaku pár nad kvapalinou (kvapalné 4He) - zmiešavací refrigerátor (chladnička), - magnetické chladenie, Merací výkon 5 fw extrémne citlivý detektor Teplota supratekutého 3He ~ 150 μk Teplota jadrového stupňa ~ 50 μk Extrémne podmienky: ultra nízke teploty, silné magnetické polia, vysoké tlaky a redukovaná dimenzia
Čo sa deje keď teplota klesá?
Meissnerov jav Supravodiče vytláčajú magnetické pole ideálny diamagnetizmus - robia tak pomocou večného bezodporového prúdu T > T c T < T c kritické magnetické pole H c
Príklady supratekutých kvapalín (stavov) Superatekuté 4He Kondenzát Rb atómov Fontánový efekt Supratekuté hélium-3
Kvantové vlastnosti kondenzovaných látok Najznámejšie sú: supravodivosť a supratekutosť Kvantovo-mechanický jav - kvapalina s nulovou viskozitou (vlastným trením) 3He pri teplotách menších než 200 μk je najčistejšou látkou vo Vesmíre
Supertekuté 3He - ako modelový systém pre kozmológiu Normálne 3He - Fermiho kvapalina Fázový prechod do supratekutého stavu prechod druhého druhu, ktorý je spojený s - spontánne narušenou symetriou - prítomnosťou energetickej medzery v spektre excitácií Fázovy prechod prvého druhu: A fáza B fáza. 3He je kvapalina nie je prítomná elektrón fonónová interakcia Helium-3 fázový diagram SU(3) x SU(2) x U(1) Universe (GUT) SO L (3) x SO S (3) x U(1) Superfluid 3He
Supratekuté 3He modelový systém pre kozmológiu Supratekuté 3He svojimi vlastnosťami predstavuje fyzikálne vákuum a slúži ako modelový systém pre kozmológiu. Pomocou supratekutého 3He je možné experimentálne študovať analógie kozmologických procesov a javov Supratekuté 3He fyzikálne vákuum Kozmológia v laboratóriu COSLAB T 6 10 8 M M [ K]
VÝVOJ VESMÍRU Hubble constant 70 km/s/mpc Mpc = 3.08568025 10 22 meter
Spontánne narušenie symetrie Vybraný smer Rotácia Rotácia Vybraný smer Paramagnetická látka Feromagnetická látka
Symetria odpovedajúca všetkým zjednoteným silám. Nikto nevie aká. GUT symetria = Silná + slabá+em Ako posledné sa od seba oddeľujú slabá a EM interakcia SU(3) x SU(2) x U(1) Universe (GUT) SO L (3) x SO S (3) x U(1) Superfluid 3He
Big Bang v supratekutom 3He-B n 3 He p T 764keV
Phase changes by 2p round the loop Nature 382, 322 (1996)
Vznik čiernych dier
Experiment simulujúci prítomnosť horizontu udalostí
3-D rez experimentálnej komôrky Kanál Detektor Zdroj
Experimentálne komôrky Na jadrovom stupni Na stole
FFT spectrum as function of the phase difference SOURCE DOMAIN DETECTOR DOMAIN
Jadrový demagnetizačný refrigerátor od 50 K vyššie, magnetické pole do 8T
Skenovací tunelovací mikroskop: od 300mK vyššie, do 8T
3He refrigerátor a ac kalorimetria: od 300mK vyššie, magnetické pole do 8T
Mini zmiešavací refrigerátor: od 30mK vyššie, do 10T
Skvapalňovač hélia L N 2 10 m 3
Záver Nie je fyzika veľmi nízkych teplôt fascinujúca?
Impulzná jadrová magnetická rezonancia Magnetické pole Typický signál voľnej precesie Experimentálne usporiadanie
Ako meriame veľmi nízke teploty Vibrujúci drôtik ponorený v kvapalnom 3He - nástroj ne meranie teploty Komora na štúdium vlastností 3He Typický elektrický signál meraný pomocou drôtika Termometria: -Plynový teplomer -Elektrické termočlanky - Termometria na báze el. odporu - Magnetická termometria -Šumový teplomer
Aplikácie fyzikálnych výsledkov a poznatkov Výsledky fyziky aplikované v praxi: RTG, tranzistorový jav, laser, supravodivé vodiče, ultrazvuk, tomografia, atď. Kde sa to da použiť: - polarizované 3He pri izbovej teplote ako kontrastná látka pre medicínsky tomograf Tomograf pľúc Bežné zobrazenie pľúc pomocou vodíka Jasnejší obraz pľúc pomocou 3He Výroba polarizovaného 3He kryogénnym spôsobom
NOVÉ SUPRAVODIČE Nový fyzikálny jav - dvojmedzerová supravodivosť vďaka nemu existuje supravodivosť pri relatívne vysokých teplotách. Pre magnety v lekárskych NMR tomografoch. Cena SAV 2004