Svet ultranízkych teplôt

Profesor Feher je jedným zo zakladateľov Centra fyziky nízkych teplôt v Košiciach, svetovo uznávaného pracoviska v oblasti fyziky veľmi nízkych teplôt. On a jeho excelentný tím tu môžu precíznejšie pozorovať fyzikálne procesy na atomárnej a elektrónovej úrovni.

Prof. RNDr. Alexander feher, DrSc., absolvent Prírodovedeckej fakulty Univerzity P. J. Šafárika v Košiciach, na ktorej od ukončenia štúdia pracuje, je v súčasnosti riaditeľom Ústavu fyzikálnych vied. Je uznávaným odborníkom v oblasti fyziky veľmi nízkych teplôt a venuje sa predovšetkým skúmaniu transportných, termodynamických a magnetických vlastností nízkorozmerných systémov a makroskopických kvantových kvapalín. Tím pod jeho vedením skonštruoval unikátne zariadenie na získavanie ultranízkych teplôt metódou jadrovej adiabatickej demagnetizácie, na ktorom sa dosiahla najnižšia teplota v bývalej ČSFR – 50 mikrokelvinov. Založil nový smer základného výskumu na Slovensku, ktorý sa orientuje na magnetické vlastnosti supratekutého hélia-3. Experimentálne pozoroval balistický a kvantový fonónový transport v mikrokontaktoch a študoval zvláštnosti fonónových spektier nízkorozmerných systémov, predovšetkým grafitu a grafénu. Je nositeľom niekoľkých významných vedeckých ocenení a čestných doktorátov.

Vonkajšie teploty aj vo februári klesajú pod bod mrazu a meteorológovia nás upozorňujú, aby sme sa dobre obliekli. Na pracoviskách a v laboratóriách centra fyziky nízkych teplôt v Košiciach je príjemne teplo, hoci – ako to hovorí názov – by tam mala byť veľká zima. Zdá sa, že nie sú nízke teploty ako nízke teploty…
Zatiaľ čo bežná populácia považuje teplotu -20 ˚C už za veľmi nízku, pre nás, nízkoteplotných fyzikov, je to ešte takpovediac horúčava. Vo fyzike nízkych teplôt sa však hodnoty teploty uvádzajú v kelvinoch a vzťah medzi obomi jednotkami je taký, že Kelvinova stupnica sa začína pri absolútnej nule, čo je -273,15 ˚C. Z hľadiska fyziky nízkych teplôt sa kedysi za nízke teploty považovali teploty pod 4,2 K, čo je bod varu hélia. V súčasnosti sa už za nízkoteplotný výskum považuje výskum pri teplotách pod jedným kelvinom. Možno ešte dodať, že z fyzikálnej teórie vyplýva, že absolútnu nulu nemožno dosiahnuť.

Priblížte nám stručne vznik a postupný rozvoj bádania pri nízkych a veľmi nízkych teplotách v Košiciach.
S ideou fyzikálneho výskumu na UPJŠ aj v oblasti nízkoteplotnej fyziky prišiel profesor Vladimír Hajko. Prvé zariadenie na získavanie nízkych teplôt, skvapalňovač hélia ZH-4, sme v našom laboratóriu uviedli do činnosti koncom roku 1968. Potom sme získali, respektíve vlastnými silami zhotovili zariadenia, umožňujúce dosiahnuť ešte nižšie teploty. Tím vedcov a technikov pod mojím vedením skonštruoval zariadenie na získavanie ultranízkych teplôt metódou jadrovej adiabatickej demagnetizácie, umožňujúce študovať vlastnosti kvapalného hélia-3 pri teplote len 280 mikrokelvinov čiže 280 milióntin stupňa nad absolútnou nulou. Získavanie čoraz nižších teplôt však nie je naším primárnym cieľom, tým je študovanie fyzikálnych vlastností pri takýchto teplotách i za iných extrémnych podmienok. Fyzici už dosiahli v laboratóriách oveľa nižšiu teplotu, než je najnižšia pozorovaná teplota vo vesmíre.

Príprava experimentu na zariadení pre paramagnetickú elektrónovú rezonanciu

Prečo skúmate vlastnosti látok aj pri veľmi nízkych teplotách?
Proces poklesu teploty vedie k potlačeniu vibračných procesov v mriežke skúmanej látky, čím môžeme zreteľnejšie pozorovať fyzikálne procesy, ktoré sa odohrávajú na elektrónovej a jadrovej úrovni. Znížením teploty teda vieme zaostriť náš pohľad na mikro- a nanosvet. Získané poznatky majú veľký dosah nielen na rozvoj nášho odboru, ale aj na rozvoj zdanlivo nesúvisiacich odborov. Napríklad študujúc vlastnosti supratekutého hélia-3 pri teplotách pod jeden milikelvin môžeme získať poznatky o tom, ako sa vyvíjal náš vesmír krátko po tzv. Veľkom tresku. Supratekuté hélium v blízkosti teploty absolútnej nuly je v stave, ktorý sa dá opísať ako kvantové fyzikálne vákuum, teda v stave, v akom sa nachádzal náš vesmír v prvých okamihoch svojho vzniku.

Pri veľmi nízkych teplotách teda dokážete študovať procesy prebiehajúce pri vzniku vesmíru?
Áno. Pomocou supratekutého hélia-3 vieme pripraviť experiment a v laboratórnych podmienkach simulovať procesy vedúce k narušeniu symetrie. Tie pravdepodobne viedli k vzájomnému oddeleniu slabých, silných, elektromagnetických a gravitačných síl ešte v čase, keď náš vesmír prechádzal kaskádou fázových prechodov druhého druhu. Teda pomocou nízkych teplôt vieme poodhaliť tajomstvá vzniku vesmíru. A vieme prispieť aj k pochopeniu procesov, ktoré skúma súčasná kozmológia, napríklad vieme skúmať procesy, ktoré prebiehajú v neutrónových hviezdach, pulzaroch a čiernych dierach. Pokúšame sa aj o experimenty simulujúce tzv. horizont udalosti, čo je hranica v časopriestore, za ktorou udalosti už nemôžu ovplyvniť vonkajšieho pozorovateľa.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 02/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Rado Mlýnek
Foto autor

Komentáre