Criogenie cu heliu - Helium cryogenics
În domeniul criogeniei , heliul [He] este utilizat din mai multe motive. Combinația dintre greutatea moleculară extrem de redusă a heliului și reacțiile interatomice slabe produce proprietăți interesante atunci când heliul este răcit sub temperatura sa critică de 5,2 K pentru a forma un lichid. Chiar și la zero absolut (0K), heliul nu se condensează pentru a forma un solid sub presiunea ambiantă. În această stare, energiile vibraționale cu punct zero ale heliului sunt comparabile cu interacțiunile de legare interatomică foarte slabe, prevenind astfel formarea rețelelor și conferind heliului caracteristicile sale fluide. În această stare lichidă, heliul are două faze denumite heliu I și heliu II . Heliul I prezintă proprietăți termodinamice și hidrodinamice ale fluidelor clasice, împreună cu caracteristici cuantice. Cu toate acestea, sub punctul său lambda de 2,17 K, heliul trece la He II și devine un superfluid cuantic cu viscozitate zero.
În condiții extreme, cum ar fi atunci când este răcit dincolo de T λ , heliul are capacitatea de a forma o nouă stare a materiei, cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein (BEC), în care atomii își pierd practic toată energia. Fără transfer de energie între molecule, atomii încep să se agregeze creând un volum de densitate și energie echivalente. Din observații, heliul lichid prezintă doar super-fluiditate, deoarece conține insule izolate de BEC, care au magnitudine și fază bine definite, precum și moduri bine definite de fonon - roton (PR). Un fonon se referă la o cuantică de energie asociată cu o undă de compresiune, cum ar fi vibrația unei rețele de cristal, în timp ce un roton se referă la o excitație elementară în heliu superfluid. În BEC, modurile PR au aceeași energie, ceea ce explică energiile vibraționale cu punct zero ale heliului în prevenirea formării rețelelor.
Când heliul este sub T λ , suprafața lichidului devine mai netedă, indicând trecerea de la lichid la superfluid. Experimentele care implică bombardarea neutronilor se corelează cu existența BEC, confirmând astfel sursa proprietăților unice ale heliului lichid, cum ar fi super-fluiditatea și transferul de căldură.
Deși aparent paradoxal, sistemele de heliu criogenice pot muta căldura de la un volum de temperatură relativ scăzută la un volum de temperatură relativ ridicată. Deși acest fenomen pare să încalce a doua lege a termodinamicii , experimentele au arătat că acest lucru prevalează în sistemele în care volumul temperaturii scăzute este încălzit constant, iar volumul temperaturii ridicate este răcit constant. Se crede că acest fenomen este legat de căldura asociată cu schimbarea fazei dintre heliu lichid și gazos.
Aplicații
Supraconductori
Heliul lichid este utilizat ca agent de răcire pentru diferite aplicații supraconductoare. Remarcabile sunt acceleratoarele de particule în care magneții sunt folosiți pentru direcționarea particulelor încărcate. Dacă sunt necesare câmpuri magnetice mari, atunci se utilizează magneți supraconductori. Pentru ca supraconductorii să fie eficienți, aceștia trebuie menținuți sub temperatura lor critică respectivă. Acest lucru necesită un transfer de căldură foarte eficient. Datorită motivelor discutate anterior, heliul superfluid poate fi utilizat pentru a transfera în mod eficient căldura de la supraconductori.
Calcul cuantic
O utilizare propusă pentru heliu superfluid este în calculul cuantic. Calculatoarele cuantice utilizează stările cuantice ale materiei, cum ar fi rotirea electronilor , ca biți cuantici individuali (qubits), un analog cuantic al bitului utilizat în computerele tradiționale pentru a stoca informații și a efectua sarcini de procesare. Stările de centrifugare ale electronilor prezenți pe suprafața heliului superfluid într-un vid arată ca niște qubits excelenți. Pentru a fi considerat un qubit utilizabil, trebuie creat un sistem închis de obiecte cuantice individuale care interacționează între ele, dar a căror interacțiune cu lumea exterioară este minimă. În plus, obiectele cuantice trebuie să poată fi manipulate de computer, iar proprietățile sistemului cuantic trebuie să fie lizibile de computer pentru a semnala încetarea unei funcții de calcul. Se crede că în vid, heliul superfluid îndeplinește multe dintre aceste criterii, deoarece un sistem închis al electronilor săi poate fi citit și ușor de manipulat de computer într-un mod similar cu electronii manipulați electrostatic în heterostructuri semiconductoare. Un alt aspect benefic al sistemului cuantic cu heliu lichid este acela că aplicarea unui potențial electric asupra heliului lichid în vid poate muta qubitii cu o decoerență mică. Cu alte cuvinte, tensiunea poate manipula qubit-urile cu un efect redus asupra ordonării unghiurilor de fază în funcțiile de undă dintre componentele sistemului cuantic cu heliu lichid.
Cristalografie cu raze X
Apariția razelor X cu flux ridicat oferă un instrument util pentru dezvoltarea structurilor de înaltă rezoluție ale proteinelor. Cu toate acestea, cristalografia cu energie mai mare produce daune radiației proteinelor studiate. Sistemele criogenice cu heliu pot fi utilizate cu o eficacitate mai mare decât sistemele criogenice cu azot pentru a preveni deteriorarea radicală a cristalelor de proteine.
