Методы получения сверхнизких температур

Охлаждение до сверхнизких температур, как правило, рассматривается в диапазоне милли- и микрокельвиновых значений, где проявляются квантовые эффекты и классическая термодинамика перестает полноценно описывать поведение вещества. Методы достижения таких температур базируются на сочетании термодинамических циклов, эффектов магнитного охлаждения, квантовых статистических явлений и адiabатических процессов.

Ключевым принципом является последовательное уменьшение энтропии системы и обеспечение эффективного теплообмена с окружающей средой с минимальными тепловыми потерями. Для практических целей сверхнизкие температуры получают в несколько этапов, начиная с предварительного охлаждения криостатами жидких криогенов и заканчивая методами, реализующими эффекты квантовой статистики.

Криогенные жидкости и предварительное охлаждение

Жидкий гелий (He⁴ и He³) Наиболее распространённый способ достижения температур до 1–4 К заключается в использовании жидкого гелия. Гелий-4 кипит при 4,2 К при атмосферном давлении, а гелий-3 — при 3,2 К. Снижение давления над жидким гелием позволяет достигать температуры порядка 1,2–1,5 К (эффект Джоуля–Томсона).

Криостаты с жидким азотом Жидкий азот (77 К) используется как первый этап предварительного охлаждения. Он эффективно удаляет тепло из системы, снижая температуру до диапазона, в котором могут работать гелиевые криостаты.

Принцип многоступенчатого охлаждения Многоступенчатые криостаты используют последовательное применение жидких криогенов с разной температурой кипения. Например: сначала азот, затем гелий-4, после чего возможны методы испарительного охлаждения для достижения температур ниже 1 К.

Испарительное охлаждение

Испарительное охлаждение основано на удалении наиболее энергичных молекул из жидкости. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся частиц снижается, а температура жидкости падает.

Ключевые моменты:

  • Эффективно для жидкого гелия-4, позволяя достигать температуры 1,2–1,5 К.
  • Используется комбинация вакуумного насоса для уменьшения давления над жидкостью.
  • Ограничения метода связаны с уменьшением теплоёмкости при очень низких температурах и малыми потоками испаряемого гелия.

Адiabатическое демагнитирование

Принцип метода Адiabатическое демагнитирование основано на использовании магнитного момента атомов или ионов, находящихся в сильном магнитном поле. В исходной стадии система охлаждается до низкой температуры, а затем поле постепенно уменьшается. По закону сохранения энтропии, если процесс адиабатический, температура спина уменьшается, что приводит к охлаждению всей системы.

Особенности:

  • Применяется для достижения температур ниже 1 мК.
  • Используются материалы с большим магнитным моментом (например, соли с редкоземельными ионами).
  • Основным ограничением является теплообмен между спиновой и решётной подсистемой, который должен быть медленным для поддержания адиабатического режима.

Погружение в квантовые состояния

Метод рекомбинации в конденсатах Бозе–Эйнштейна В системах ультрахолодных атомов используется лазерное охлаждение и магнитная ловушка для создания конденсатов Бозе–Эйнштейна. При этом атомы охлаждаются до наносекундных и пикокельвиновых значений.

Основные этапы:

  1. Лазерное охлаждение, основанное на эффектах Доплера и торможении атомов.
  2. Магнитная или оптическая ловушка для удержания атомов при минимальных температурах.
  3. Эвакуирование системы для исключения теплопередачи от стенок камеры.

Ключевые моменты:

  • Температуры порядка 10⁻⁹ К.
  • Проявление квантовых явлений на макроскопическом уровне.
  • Используются для исследования сверхтекучести, квантовой локализации и когерентных эффектов.

Метод Джозефсона и эффект Адиабатического разложения

Эффект Джозефсона позволяет достигать сверхнизких температур при переходе через туннельные контакты сверхпроводников. Падение температуры обусловлено квантовыми эффектами передачи спиновых и зарядовых квантов.

Адиабатическое разложение газа

  • Используется для легких газов, таких как гелий-3 и гелий-4.
  • Газ предварительно охлаждается, затем расширяется в изолированном объёме без теплообмена.
  • Температура падает в соответствии с законами термодинамики для адиабатического процесса.

Комбинированные методы

Современные криофизические установки часто используют комбинацию методов:

  • Предварительное охлаждение жидким азотом → жидким гелием-4 → испарительное охлаждение.
  • Адiabатическое демагнитирование после достижения нескольких милликельвинов.
  • Для исследований квантовых эффектов — лазерное охлаждение и магнитная ловушка.

Такой поэтапный подход позволяет достичь температур, при которых начинают проявляться сверхпроводимость, сверхтекучесть и другие квантовые эффекты в макроскопических системах.

Оглавление