Časopis Quark
https://www.quark.sk

Na čo slúži výskum pri nízkych teplotách?

Pri teplotách blížiacich sa k absolútnej nule môžu vedci skúmať nezvyčajné pri bežných izbových teplotách neexistujúce javy, ktoré posúvajú naše poznatky o vlastnostiach hmoty a vlastne celého vesmíru. Tieto poznatky otvárajú cestu k novým technickým vynálezom.

Jedným zo základných technických zariadení nízkoteplotného laboratória je skvapalňovač hélia – ten v košickom centre vyprodukuje za hodinu 45 litrov kvapalného hélia.

Fyzici pracujúci v oblasti nízkych a veľmi nízkych teplôt sa snažia dostať k teplotám blížiacim sa k absolútnej nule, teda k teplote 0 K (kelvinov) v absolútnej stupnici. Predtým ako si povieme o tom, na čo slúži výskum pri nízkych teplotách, uvedieme aspoň niektoré metódy dosahovania nízkych teplôt.

Skvapaľňovače plynov
Hlavnými zariadeniami na získavanie nízkych teplôt sú skvapalňovače plynov. V tomto prípade ide o to, aby sme vhodný plyn schladili pod teplotu jeho varu. Skvapalnené plyny, nazývané aj kryogénne médiá, majú široké použitie v priemysle, energetike, potravinárstve, zdravotníctve a v základnom i aplikovanom výskume. Skvapalňovače plynov, či už dusíka alebo hélia, sú vystrojené expanznými piestovými strojmi (expandérmi) alebo expanznými turbínami. Do expandérov sa privádza stlačený plyn, ktorý v nich prudko expanduje, čiže vydáva energiu, čím sa znižuje jeho teplota. Vhodne predchladený plyn sa potom vedie cez škrtiaci ventil, v ktorom dochádza k jeho ďalšiemu schladeniu a čiastočnému skvapalneniu.

V tejto komplexnej aparatúre možno vytvoriť vákuum aj teplotu ešte nižšiu ako vo vesmíre a skúmajú sa tu kvantové objekty pozostávajúce len z niekoľkých atómov.

Míľniky znižovania teplôt
Vzduch sa podarilo po prvý raz skvapalniť poľským fyzikom Z. F. Wróblevskému a K. Olszewskému, a to v roku 1883. Frakčnou destiláciou sa tekutý vzduch, ktorého teplota (bod varu) je -194 °C, rozdeľuje na dusík a kyslík. Obidva tieto prvky majú v technickej praxi bohaté uplatnenie. Plynný kyslík sa využíva napríklad pri zušľachťovaní surového železa na oceľ. Kvapalný dusík (s teplotou -196 °C, resp. 77 K) má uplatnenie ako predchladzovacie médium v skvapalňovačoch hélia, ale možno ste sa s ním už stretli aj osobne – kvapalný dusík ako veľmi chladná kvapalina sa používa aj v kryochirurgii, a to napríklad na vypaľovanie (či skôr vymrazovanie) bradavíc.
Ďalší známy plyn, vodík, po prvý raz skvapalnil v roku 1898 James Dewar, známy skonštruovaním po ňom pomenovaných izolovaných nádob na prepravu kryogénnych kvapalín. Bod varu vodíka je −252,879 °C čiže 20,27 K. Kvapalný vodík sa využíva ako palivo v raketách na vynášanie umelých družíc do vesmíru, pričom potrebným okysličovadlom paliva je kvapalný kyslík. Všetky už spomenuté teploty skvapalnených plynov sú však ešte prihorúce pre fyzikov, zaoberajúcich sa výskumom v oblasti fyziky nízkych teplôt. Tá sa pre nich začína až pri teplote 4,2 K, čo je bod varu hélia – tento plyn má najnižší bod varu zo všetkých látok.
Hélium sa podarilo skvapalniť až v júli 1908 holandskému fyzikovi H. K. Onnesovi. Kvapalné hélium je základným ochladzovacím médiom vo všetkých nízkoteplotných laboratóriách. Znižovaním tlaku pár nad kvapalným héliom možno jeho teplotu znížiť až na približne jeden kelvin, čiže jeden stupeň nad absolútnou nulou. Práve pod jedným kelvinom sa pre fyzikov začína oblasť veľmi nízkych teplôt, pri ktorých boli objavené veľmi zaujímavé, nezvyčajné a pri bežných izbových teplotách neexistujúce javy, ktoré posúvajú naše poznatky o vlastnostiach hmoty a vlastne celého vesmíru.

Dr. Vladimír Tkáč pri aparatúre, ktorá umožňuje skúmanie rôznych vlastností látok pri teplotách len 50 tisícin stupňa nad nulou a vo veľmi intenzívnom magnetickom poli.

Supravodivosť a supratekutosť
Za najvýznamnejšie z novoobjavených javov pri nízkych teplotách možno považovať supravodivosť (tečenie elektrického prúdu bez akéhokoľvek odporu) a supratekutosť (strata viskozity). Majú spomenuté vlastnosti význam aj pre neodborníkov? So supravodivosťou i so samotným kvapalným héliom ste sa už mohli stretnúť, hoci ste o tom možno ani nevedeli. Ak vás niekedy vyšetrovali v NMR tomografe, tak vás posúvali v jadre veľkej supravodivej cievky vytvárajúcej silné magnetické pole a chladenej kvapalným héliom.

Päťdesiat rokov pri absolútnej nule
Môžeme teraz uviesť, že rôznymi sofistikovanými metódami možno dosahovať aj nižšie teploty, ako má kvapalné hélium. Ide o teploty v oblasti desiatok mikrokelvinov, teda milióntin stupňa nad absolútnou nulou. Na Slovensku sa základnému fyzikálnemu výskumu pri teplotách blízkych absolútnej nule venuje košické Centrum fyziky nízkych teplôt, ktoré je spoločným pracoviskom Ústavu experimentálnej fyziky SAV a Prírodovedeckej fakulty Univerzity Pavla Jozefa Šafárika. Toto centrum sa vyvinulo z pôvodného nízkoteplotného laboratória, ktoré si nedávno pripomenulo 50. výročie prvého skvapalnenia hélia v Košiciach. Prvý skvapalňovač hélia bol do činnosti slávnostne uvedený koncom februára 1969. Tento skvapalňovač československej výroby bol schopný vyprodukovať štyri litre hélia za hodinu a teraz je exponátom Slovenského technického múzea v Košiciach. V súčasnosti pracuje v spomenutom centre skvapalňovač s výkonom 45 litrov hélia za hodinu. Zopakujme, že teplota kvapalného hélia je pre nízkoteplotných fyzikov len akousi štartovacou teplotou. Unikátne zariadenie, ktoré bolo pod vedením prof. A. Fehera v košickom laboratóriu vybudované, umožňuje študovať látky pri teplotách menej než tisícina stupňa kelvina. Na tomto zariadení sa v závere roku 1992 podarilo dosiahnuť teplotu len 300 milióntin stupňa kelvina, čo bola najnižšia teplota dosiahnutá v rámci československých vedeckých pracovísk. No a keďže na prelome rokov 1992 a 1993 došlo k rozdeleniu Československa, spomenutá hodnota ostane už navždy svojským fyzikálnym československým rekordom. Najnižšia doteraz získaná teplota v košickom laboratóriu je 50 mikrokelvinov, teda 0,000 050 stupňa nad absolútnou nulou.

Súčasťou tomografu na báze NMR (nukleárna magnetická rezonancia) je supravodivý magnet, ktorý je chladený kvapalným héliom.

Priority výskumu
Jedným z primárnych cieľov výskumu pri nízkych teplotách je nájdenie materiálov, ktoré by boli supravodivé pri oveľa vyšších teplotách ako dnes. V súčasnosti poznáme materiály, ktoré sú supravodivé pri teplotách okolo mínus 93  °Celzia, čo je však oveľa menej než izbová teplota. Na výraznejšie priblíženie sa tejto teplote treba detailne pochopiť, ako supravodivý stav v rôznych materiáloch vzniká, a to si vyžaduje skúmať ich vlastnosti aj pri veľmi nízkych teplotách, vysvetľuje prof. Martin. Orendáč. Keby sa podarilo vyvinúť materiál, ktorý by bol supravodivý pri izbovej teplote, znamenalo by to revolučný prenos elektrickej energie bez strát – tie sú teraz približne 10 %.
Košickí fyzici sa pustili aj do výskumu v oblasti súvisiacej s vývojom kvantových počítačov, ktoré budú pracovať s tzv. qubitmi, teda kvantovými bitmi. Máme aparatúru, v ktorej dokážeme vytvárať kvantové objekty pozostávajúce len z niekoľkých atómov. Usilujeme sa v nej vytvoriť špeciálny qubit, ktorý bude mať vhodnejšie vlastnosti ako doterajšie qubity, povedal nám dr. Tomáš Samuely.
Na záver jedna perlička: najnižšia zistená teplota vo voľnom vesmíre je približne jeden stupeň (1 K). No v košickom Centre fyziky nízkych teplôt sa môžete prechádzať okolo miest, v ktorých je oveľa chladnejšie než kdekoľvek vo vesmíre.

Rado Mlýnek, foto autor a Siemens

Významným úspechom jubilujúceho Centra fyziky nízkych teplôt v Košiciach je skutočnosť, že sa nedávno zaradilo medzi osem špičkových európskych akademických inštitúcií tvoriacich jadro Európskej mikrokelvinovej platformy orientovanej primárne na výskum v oblasti fyziky a techniky ultranízkych teplôt.
Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 7/2019.

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

Komentáre