Kriogenika helowa - Helium cryogenics
W dziedzinie kriogenicznych , hel [On] jest wykorzystywana do różnych powodów. Połączenie wyjątkowo niskiej masy cząsteczkowej helu i słabych reakcji międzyatomowych daje interesujące właściwości, gdy hel jest schładzany poniżej jego krytycznej temperatury 5,2 K, tworząc ciecz. Nawet przy zera absolutnym (0K) hel nie kondensuje się pod ciśnieniem otoczenia, tworząc ciało stałe. W tym stanie energie wibracyjne punktu zerowego helu są porównywalne z bardzo słabymi interakcjami wiązania międzyatomowego, co zapobiega tworzeniu się sieci i nadaje helu jego płynne właściwości. W tym stanie ciekłym hel ma dwie fazy zwane helem I i helem II . Hel I wykazuje właściwości termodynamiczne i hydrodynamiczne płynów klasycznych wraz z charakterystyką kwantową. Jednak poniżej punktu lambda 2,17 K hel przechodzi w He II i staje się nadciekłym kwantowym o zerowej lepkości.
W ekstremalnych warunkach, takich jak chłodzenie poza T λ , hel ma zdolność tworzenia nowego stanu materii, znanego jako kondensat Bosego-Einsteina (BEC), w którym atomy praktycznie tracą całą swoją energię. Bez energii do przeniesienia między cząsteczkami atomy zaczynają się agregować, tworząc objętość o równoważnej gęstości i energii. Z obserwacji, ciekły hel wykazuje tylko super-płynność, ponieważ zawiera izolowanych wysp BEC, które mają dobrze zdefiniowane wielkości i fazy, a także dobrze zdefiniowany phonon - Roton (PR) trybów. Fonon odnosi się do kwantu energii związanego z falą ściskającą, taką jak drgania sieci krystalicznej, podczas gdy roton odnosi się do elementarnego wzbudzenia w nadciekłym helu. W BEC tryby PR mają tę samą energię, co wyjaśnia energie wibracyjne punktu zerowego helu w zapobieganiu tworzeniu się sieci.
Gdy hel jest poniżej T λ , powierzchnia cieczy staje się gładsza, co wskazuje na przejście od cieczy do nadciekłej. Eksperymenty z bombardowaniem neutronami korelują z istnieniem BEC, potwierdzając w ten sposób źródło unikalnych właściwości ciekłego helu, takich jak nadpłynność i przenoszenie ciepła.
Choć pozornie paradoksalne, systemy kriogeniczne helowe mogą przenosić ciepło z objętości o stosunkowo niskiej temperaturze do objętości o stosunkowo wysokiej temperaturze. Chociaż zjawisko to wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki , eksperymenty wykazały, że jest to dominujące w systemach, w których objętość o niskiej temperaturze jest stale ogrzewana, a objętość o wysokiej temperaturze jest stale chłodzona. Uważa się, że zjawisko to jest związane z ciepłem związanym z przemianą fazową między ciekłym a gazowym helem.
Aplikacje
Nadprzewodniki
Ciekły hel jest używany jako chłodziwo w różnych zastosowaniach nadprzewodzących. Godne uwagi są akceleratory cząstek, w których do sterowania naładowanymi cząstkami wykorzystuje się magnesy. Jeśli wymagane są duże pola magnetyczne, stosuje się magnesy nadprzewodzące. Aby nadprzewodniki były wydajne, muszą być utrzymywane poniżej ich odpowiedniej temperatury krytycznej. Wymaga to bardzo wydajnego przekazywania ciepła. Z powodów omówionych wcześniej nadciekły hel może być wykorzystywany do skutecznego odprowadzania ciepła z nadprzewodników.
Obliczenia kwantowe
Jednym z proponowanych zastosowań helu nadciekłego jest informatyka kwantowa. Komputery kwantowe wykorzystują stany kwantowe materii, takie jak spin elektronu , jako pojedyncze bity kwantowe (kubity), kwantowy odpowiednik bitu używanego w tradycyjnych komputerach do przechowywania informacji i wykonywania zadań przetwarzania. Stany spinowe elektronów obecnych na powierzchni nadciekłego helu w próżni są obiecujące jako doskonałe kubity. Aby zostać uznanym za użyteczny kubit, należy stworzyć zamknięty system pojedynczych obiektów kwantowych, które wchodzą ze sobą w interakcje, ale ich interakcja ze światem zewnętrznym jest minimalna. Ponadto obiekty kwantowe muszą mieć możliwość manipulowania przez komputer, a właściwości systemu kwantowego muszą być odczytywane przez komputer, aby zasygnalizować zakończenie funkcji obliczeniowej. Uważa się, że w próżni nadciekły hel spełnia wiele z tych kryteriów, ponieważ zamknięty układ jego elektronów może być odczytywany i łatwo manipulowany przez komputer w podobny sposób, jak elektronami manipulowanymi elektrostatycznie w heterostrukturach półprzewodnikowych. Innym korzystnym aspektem systemu kwantowego ciekłego helu jest to, że przyłożenie potencjału elektrycznego do ciekłego helu w próżni może przenosić kubity z niewielką dekoherencją. Innymi słowy, napięcie może manipulować kubitami z niewielkim wpływem na uporządkowanie kątów fazowych w funkcjach falowych między składnikami układu kwantowego ciekłego helu.
Krystalografia rentgenowska
Pojawienie się wysokoprzepływowych promieni rentgenowskich dostarcza użytecznego narzędzia do tworzenia struktur białek o wysokiej rozdzielczości. Jednak krystalografia o wyższej energii powoduje uszkodzenie radiacyjne badanych białek. Systemy kriogeniczne z helem mogą być stosowane z większą skutecznością niż systemy kriogeniczne z azotem, aby zapobiegać radykalnym uszkodzeniom kryształów białek.