Физика низких температур

Физика низких температур — раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Физика низких температур изучает физические процессы, протекающие при очень низких температурах, вплоть до абсолютного нуля, занимается изучением свойств материалов при этих низких и сверхнизких температурах, и таким образом связана со многими областями науки и техники.^[1]

Методы получения

Испарение жидкостей

Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы. В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением, достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения хладоагента. Наиболее часто используемые хладагенты — жидкий азот и жидкий гелий. Ранее использовавшиеся сжиженные водород и кислород сейчас используются достаточно редко из-за повышенной взрывоопасности испарений. Азот же и гелий практически инертны и опасность представляет только резкое расширение при переходе из жидкого в газообразное состояние.

Снижая давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки 63 K, откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K, откачкой паров гелия можно добиться (при очень хороших условиях проведения эксперимента) температуры около 0,7 K.

Дросселирование

Основные статьи: Дросселирование, Эффект Джоуля — Томсона

При протекании через сужение проходного канала трубопровода — дроссель, либо через пористую перегородку происходит понижение давления газа или пара вместе с понижением его температуры. Эффект дросселирования используется главным образом для глубокого охлаждения и сжижения газов.

Изменение температуры при малом изменении давления в результате процесса Джоуля-Томсона определяется производной $\mu_{JT} = \left( \frac{\partial T }{\partial P} \right)_H$, называемой коэффициентом Джоуля-Томсона.

Расширение с совершением внешней работы

Основная статья: Детандер

Можно охлаждать газ, используя детандер — устройство для дополнительного охлаждения газа путём его выпуска под давлением в цилиндр с поршнем, который перемещается с усилием. При этом газ совершает работу и охлаждается. Используется в цикле получения жидкого гелия.

Если вместо поршня использовать турбину — получится турбодетандер, принцип действия которого аналогичен.

Адиабатическое размагничивание

Основная статья: Адиабатическое размагничивание

Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K. Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами.

Эффект Пельтье

Основная статья: Эффект Пельтье

Эффект Пельтье используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.

Криостат растворения

Рефрижератор растворения

Основная статья: Рефрижератор растворения

В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия: ³He и ⁴He. При охлаждении ниже 700 мК, смесь испытывает самопроизвольное разделение фаз, образуя фазы богатую ³He и богатую ⁴He. Смесь ³He / ⁴He ожижается в конденсаторе, который подсоединен через дроссель к области богатой ³He смесительной камеры. Атомы ³He, проходя через границу раздела фаз, отбирают энергию у системы. Рефрижераторы растворения с непрерывным циклом обычно используются в низкотемпературных физических экспериментах.

Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Используются термометры сопротивления (платиновый — для прецизионных измерений, медный, угольный).

В качестве вторичных термометров могут использоваться термопары, полупроводниковые диоды — однако они требуют градуировки. Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30—100 мК по осмотическому давлению ³He в смеси ³He — ⁴He.

История физики низких температур

Основные этапы развития физики низких температур были связаны с ожижением газов, которые при кипении позволяли проводить измерения при температуре равной температуре кипения.

• В 1898 году Дьюаром получено около 20 см³ жидкого водорода.
• В 1906 году Хейке Камерлинг-Оннесом налажена линия полупромышленного получения жидкого водорода, дающая до 4 л/ч.
• В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес сумел добиться конденсации жидкого гелия в объеме 60 см³ (Нобелевская премия по физике за 1913 год). Для опыта потребовалось 20 литров жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при адиабатическом дросселировании водорода (см. эффект Джоуля — Томсона).
• В 1930 году^[2] Виллем Хендрик Кеезом обнаруживает наличие фазового перехода в жидком гелии при температуре 2,17 К и давлении насыщенных паров 0,005 МПа. Называет фазу, устойчивую выше 2,17 K гелием-I, и фазу, устойчивую ниже 2,17 K гелием-II. Также наблюдает связанные с этим аномалии в теплопроводности (даже называет гелий-II «сверхтеплопроводным»), теплоёмкости, текучести гелия.
• В 1938 году П. Л. Капица открыл сверхтекучесть гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано Л. Д. Ландау в 1941 году (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
• В 1948 году удалось ожижить и гелий-3.
• В 1972 году в жидком ³He был также обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм ³He действительно становится сверхтекучим.
• В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3.

Специальность ВАК

"Физика низких температур" (шифр специальности 01.04.09) – область фундаментальной науки, изучающая физические явления и состояния вещества, характерные для температур, близких к абсолютному нулю. Включает теоретические и экспериментальные исследования структуры и свойств вещества в основном квантовом состоянии и физической природы и характеристик различных элементарных возбуждений, а также квантовых кооперативных явлений, таких как сверхтекучесть, сверхпроводимость, бозе-конденсация, магнитное, зарядовое и другие типы упорядочения.^[3] Паспорт специальности ВАК "Физика низких температур" предусматривает следующие области исследования:

1. Квантовые жидкости и кристаллы.
2. Сверхпроводящие системы, включая высокотемпературные сверхпроводники.
3. Квантовые газы, бозе-эйнштейновские конденсаты.
4. Сильно коррелированные электронные и фононные системы.
5. Низкотемпературный магнетизм: магнитные структуры, фазовые переходы, магнитный резонанс.
6. Низкоразмерные квантовые системы и системы с беспорядком.
7. Мезоскопические системы.
8. Исследование механических, электрических, магнитных, оптических, тепловых и других физических свойств вещества при низких температурах.
9. Разработка методов получения и измерения низких и ультранизких температур.

Научные журналы

• Физика низких температур (журнал) Физико-технического института низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины^[4]

См. также

Криогеника

Примечания

1. ↑ Физика низких температур. Краткий исторический очерк.
2. ↑ Наука и техника: Физика/СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
3. ↑ Паспорт специальности ВАК
4. ↑ Жуpнал "Физика низких температур"