Криогеника с гелием

редактировать
Атомная диаграмма гелия.png

В области криогеники, гелий [He] используется по разным причинам. Сочетание чрезвычайно низкой молекулярной массы гелия и слабых межатомных реакций дает интересные свойства, когда гелий охлаждается ниже его критической температуры 5,2 К с образованием жидкости. Даже при абсолютном нуле (0K) гелий не конденсируется с образованием твердого вещества под давлением окружающей среды. В этом состоянии нулевые колебательные энергии гелия сопоставимы с очень слабыми межатомными связующими взаимодействиями, что предотвращает образование решетки и придает гелию характеристики жидкости. В этом жидком состоянии гелий имеет две фазы, называемые гелием I и гелием II. Гелий I демонстрирует термодинамические и гидродинамические свойства классических жидкостей, а также квантовые характеристики. Однако ниже своей лямбда-точки, равной 2,17 К, гелий переходит в He II и становится квантовой сверхтекучей с нулевой вязкостью.

В экстремальных условиях, например при охлаждении выше T λ, гелий обладает способностью образовывать новое состояние вещества, известное как конденсат Бозе – Эйнштейна (BEC), в котором атомы практически теряют всю свою энергию. Без передачи энергии между молекулами атомы начинают агрегироваться, создавая область эквивалентной плотности и энергии. По наблюдениям, жидкий гелий демонстрирует сверхтекучесть только потому, что он содержит изолированные островки БЭК, которые имеют четко определенные величину и фазу, а также четко определенные фонон - ротон (PR) режимы. Фонон относится к кванту энергии, связанному с волной сжатия, такой как колебание кристаллической решетки, в то время как ротон относится к элементарному возбуждению в сверхтекучем гелии. В BEC моды PR имеют одинаковую энергию, что объясняет нулевые колебательные энергии гелия в предотвращении образования решетки.

Когда гелий ниже T λ, поверхность жидкости становится более плавным, указывая на переход от жидкости к сверхтекучей. Эксперименты с нейтронной бомбардировкой коррелируют с существованием БЭК, тем самым подтверждая источник уникальных свойств жидкого гелия, таких как сверхтекучесть и теплопередача.

Схема гелиевой системы охлаждения; тепловой поток представлен красными стрелками, а поток гелия - черными стрелками.

Хотя это может показаться парадоксальным, криогенные гелиевые системы могут перемещать тепло из области с относительно низкой температурой в область с относительно высокой температурой. Хотя это явление, по-видимому, нарушает второй закон термодинамики, эксперименты показали, что это преобладает в системах, где область низкой температуры постоянно нагревается, а область высокой температуры постоянно охлаждается. Считается, что это явление связано с теплом, связанным с фазовым переходом между жидким и газообразным гелием.

Содержание

  • 1 Приложения
    • 1.1 Сверхпроводники
    • 1.2 Квантовые вычисления
    • 1.3 Рентгеновская кристаллография
  • 2 См. Также
  • 3 Ссылки

Применения

Сверхпроводники

Жидкий гелий используется в качестве хладагента в различных сверхпроводящих устройствах. Известны ускорители частиц, в которых магниты используются для управления заряженными частицами. Если требуются большие магнитные поля, используются сверхпроводящие магниты. Чтобы сверхпроводники были эффективными, их температура должна быть ниже их соответствующей критической температуры. Это требует очень эффективной теплопередачи. По причинам, обсуждавшимся ранее, сверхтекучий гелий можно использовать для эффективного отвода тепла от сверхпроводников.

Квантовые вычисленияКвантовый конденсатор гелия.png

Одно из предлагаемых вариантов использования сверхтекучего гелия - квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют квантовые состояния материи, такие как спин электрона, как отдельные (кубиты), квантовый аналог бита, используемого в традиционных компьютерах для хранения информации и выполнения задач обработки. Спиновые состояния электронов, присутствующих на поверхности сверхтекучего гелия в вакууме, обещают стать прекрасными кубитами. Чтобы кубит считался пригодным для использования, необходимо создать замкнутую систему отдельных квантовых объектов, которые взаимодействуют друг с другом, но чье взаимодействие с внешним миром минимально. Кроме того, квантовые объекты должны иметь возможность манипулировать компьютером, а свойства квантовой системы должны считываться компьютером, чтобы сигнализировать о завершении вычислительной функции. Считается, что в вакууме сверхтекучий гелий удовлетворяет многим из этих критериев, поскольку замкнутая система его электронов может быть прочитана компьютером и легко управляема ею аналогично электростатически управляемым электронам в полупроводниковых гетероструктурах. Еще один полезный аспект квантовой системы жидкого гелия заключается в том, что приложение электрического потенциала к жидкому гелию в вакууме может перемещать кубиты с небольшой декогеренцией. Другими словами, напряжение может управлять кубитами с небольшим влиянием на упорядочение фазовых углов в волновых функциях между компонентами квантовой системы жидкого гелия.

Рентгеновская кристаллография

Появление высоких технологий Поток рентгеновских лучей является полезным инструментом для разработки структур белков с высоким разрешением. Однако кристаллография с более высокими энергиями вызывает радиационное повреждение исследуемых белков. Криогенные гелиевые системы могут использоваться с большей эффективностью, чем азотные криогенные системы, для предотвращения радикального повреждения кристаллов белка.

См. Также

Холодильник для разбавления

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-23 05:45:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте