В области криогеники гелий [He] используется по разным причинам. Сочетание чрезвычайно низкого молекулярного веса гелия и слабых межатомных реакций дает интересные свойства, когда гелий охлаждается ниже своей критической температуры 5,2 К , образуя жидкость. Даже при абсолютном нуле (0 К) гелий не конденсируется, образуя твердое тело под давлением окружающей среды. В этом состоянии нулевые колебательные энергии гелия сопоставимы с очень слабыми межатомными связями, что предотвращает образование решетки и придает гелию его жидкие характеристики. [1] В этом жидком состоянии гелий имеет две фазы, называемые гелием I и гелием II . Гелий I проявляет термодинамические и гидродинамические свойства классических жидкостей, а также квантовые характеристики. Однако ниже своей лямбда-точки 2,17 К гелий переходит в He II и становится квантовой сверхтекучей жидкостью с нулевой вязкостью. [2]
В экстремальных условиях, например, при охлаждении выше T λ , гелий способен образовывать новое состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), в котором атомы фактически теряют всю свою энергию. Без энергии для передачи между молекулами атомы начинают объединяться, создавая объем эквивалентной плотности и энергии. [3] Согласно наблюдениям, жидкий гелий проявляет сверхтекучесть только потому, что он содержит изолированные острова БЭК, которые имеют четко определенную величину и фазу, а также четко определенные фонон - ротонные (PR) моды. [4] Фонон относится к кванту энергии, связанному с компрессионной волной, такой как вибрация кристаллической решетки, в то время как ротон относится к элементарному возбуждению в сверхтекучем гелии. В БЭК моды PR имеют одинаковую энергию, что объясняет нулевую точку колебательной энергии гелия, препятствующую образованию решетки. [5]
Когда гелий ниже T λ , поверхность жидкости становится более гладкой, что указывает на переход от жидкости к сверхтекучести. [6] Эксперименты с нейтронной бомбардировкой коррелируют с существованием БЭК, тем самым подтверждая источник уникальных свойств жидкого гелия, таких как сверхтекучесть и теплопередача. [6] [7]
Хотя это и кажется парадоксальным, криогенные гелиевые системы могут перемещать тепло из объема с относительно низкой температурой в объем с относительно высокой температурой. [8] Хотя это явление, по-видимому, нарушает второй закон термодинамики , эксперименты показали, что это преобладает в системах, где объем с низкой температурой постоянно нагревается, а объем с высокой температурой постоянно охлаждается. Считается, что это явление связано с теплом, связанным с фазовым переходом между жидким и газообразным гелием. [8]
Жидкий гелий используется в качестве охладителя для различных сверхпроводящих применений. Известными являются ускорители частиц , где магниты используются для управления заряженными частицами. Если требуются большие магнитные поля, то используются сверхпроводящие магниты. Для того чтобы сверхпроводники были эффективными, их необходимо поддерживать ниже соответствующей им критической температуры. Это требует очень эффективной теплопередачи. По причинам, обсуждавшимся ранее, сверхтекучий гелий может использоваться для эффективной передачи тепла от сверхпроводников. [9]
Одно из предлагаемых применений сверхтекучего гелия — квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют квантовые состояния материи, такие как спин электрона , в качестве отдельных квантовых битов (кубитов), квантового аналога бита, используемого в традиционных компьютерах для хранения информации и выполнения задач обработки. Спиновые состояния электронов, присутствующих на поверхности сверхтекучего гелия в вакууме, обещают быть отличными кубитами. Чтобы считаться пригодным для использования кубитом, необходимо создать замкнутую систему отдельных квантовых объектов, которые взаимодействуют друг с другом, но взаимодействие которых с внешним миром минимально. Кроме того, квантовые объекты должны иметь возможность манипулироваться компьютером, а свойства квантовой системы должны быть считываемы компьютером, чтобы сигнализировать о завершении вычислительной функции. [10] Считается, что в вакууме сверхтекучий гелий удовлетворяет многим из этих критериев, поскольку замкнутая система его электронов может быть считана и легко манипулирована компьютером аналогично тому, как электростатически манипулируемые электроны в полупроводниковых гетероструктурах. Другим полезным аспектом квантовой системы жидкого гелия является то, что приложение электрического потенциала к жидкому гелию в вакууме может перемещать кубиты с небольшой декогеренцией. Другими словами, напряжение может манипулировать кубитами с небольшим влиянием на упорядочение фазовых углов в волновых функциях между компонентами квантовой системы жидкого гелия. [11]
Появление высокопоточных рентгеновских лучей обеспечивает полезный инструмент для разработки структур белков с высоким разрешением. Однако кристаллография с более высокой энергией наносит радиационный ущерб изучаемым белкам. Криогенные гелиевые системы могут использоваться с большей эффективностью, чем азотные криогенные системы, для предотвращения радикального повреждения кристаллов белков. [12]