Основные понятия и определения

Криофизика — это область физики, изучающая явления, происходящие при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Основная цель криофизики заключается в понимании и описании поведения веществ и материалов в экстремально холодных условиях, а также в разработке методов их охлаждения и стабилизации.

Температурные шкалы и абсолютный ноль

Ключевым понятием в криофизике является абсолютный ноль, соответствующий температуре 0 К (−273,15 °C). На этой температуре тепловое движение молекул минимально, и достигается предельное упорядочение кристаллической решетки вещества. Абсолютный ноль служит отправной точкой для шкалы Кельвина, основной единицы измерения температуры в низкотемпературной физике.

Существуют также практические температурные шкалы, используемые для криогенных экспериментов: шкала Цельсия и шкала Фаренгейта, но они применяются преимущественно для сопоставления с повседневными условиями.

Классификация низких температур

В криофизике выделяют несколько диапазонов температур:

  • Высококриогенные температуры: 120–77 К, достижимые с помощью жидкого азота.
  • Среднекриогенные температуры: 77–4,2 К, охлаждение осуществляется жидким гелием.
  • Сверхнизкие температуры: 4,2–0,001 К, применяются методы адiabатического демагнитирования, лазерного охлаждения и рекордные магнитные системы.

Каждый диапазон характеризуется специфическими физическими эффектами и требует различных методов контроля и измерения температуры.

Криогенные среды

Для получения и поддержания низких температур используются криогенные жидкости:

  • Жидкий азот (LN₂) — температура кипения 77 К, доступный и дешевый криоген.
  • Жидкий гелий (LHe) — температура кипения 4,2 К, используется для сверхпроводимости и исследований сверхнизких температур.
  • Жидкий водород (LH₂) — температура кипения 20,3 К, применяется в некоторых специализированных экспериментах.

Помимо жидких криогенов, для сверхнизких температур применяются методы газового сжатия и разрежения, а также магнитного охлаждения.

Физические свойства веществ при низких температурах

С понижением температуры большинство физических свойств вещества изменяются:

  • Теплоемкость — у большинства кристаллов падает по закону Дебая: C ∼ T3 при T → 0. Это отражает уменьшение числа активных колебательных мод.
  • Электропроводность — для металлов при низких температурах возрастает, достигая состояния сверхпроводимости. В полупроводниках снижается тепловая генерация носителей.
  • Магнитные свойства — проявляются эффекты парамагнетизма, диамагнетизма и ферромагнетизма в условиях низких температур.
  • Вязкость и плотность жидкостей — у криогенных жидкостей заметно возрастают вязкость и плотность по мере приближения к точке кипения и ниже.

Эти эффекты позволяют изучать фундаментальные квантовые явления, включая Bose–Einstein-конденсацию и сверхтекучесть.

Криостаты и методы охлаждения

Для экспериментов при низких температурах применяются криостаты — устройства, обеспечивающие поддержание стабильной низкой температуры. Основные методы охлаждения включают:

  1. Жидкостное охлаждение — использование LN₂ или LHe для прямого контакта с образцом.
  2. Газовое расширение (адiabатическое расширение) — охлаждение газа через турбину или клапан.
  3. Адiabатическое демагнитирование — метод сверхнизкого охлаждения за счет изменения магнитной энтропии в солях.
  4. Лазерное и оптическое охлаждение — манипуляции с атомами и молекулами с помощью фотонов для достижения миллиКельвиновых температур.

Каждый метод имеет свои ограничения, эффективность и область применения в зависимости от требуемой температуры и характеристик исследуемого материала.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть

Ключевые явления криофизики:

  • Сверхпроводимость — исчезновение электрического сопротивления металлов при переходе ниже критической температуры. Сверхпроводники также проявляют эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля.
  • Сверхтекучесть — бесфрикционное течение жидких гелиевых изотопов при температурах ниже λ-точки (~2,17 К для ⁴He), проявляющее квантовые эффекты макроскопического масштаба.

Эти явления демонстрируют квантовую природу веществ при низких температурах и являются объектом интенсивного изучения.

Измерение температуры в криофизике

Измерение сверхнизких температур требует специализированных датчиков:

  • Термопары — пригодны для температур выше 1 K.
  • Резистивные термометры (RTD) — используются до 0,3 K.
  • Термометры на основе сопротивления гелиевых газов и солей — точные в диапазоне миллиКельвинов.
  • Церий- и платиновые датчики — применяются для высокоточного контроля.

Критической задачей является минимизация теплового шума и влияние внешних источников энергии на измеряемую систему.

Ключевые определения

  • Криоген — вещество, используемое для достижения и поддержания низких температур.
  • Абсолютный ноль — предельная нижняя температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.
  • Сверхпроводимость — состояние вещества с нулевым электрическим сопротивлением.
  • Сверхтекучесть — состояние жидкости с нулевой вязкостью и способностью течь без потерь энергии.
  • Криостат — устройство для поддержания и контроля низких температур.

Эти понятия формируют фундамент криофизики и служат основой для изучения низкотемпературных явлений в лабораторной и теоретической физике.

Оглавление