Na jakie sposoby można uzyskać niskie temperatury?

Pytanie

Pyta Marcin

Na jakie sposoby można uzyskać niskie temperatury? Jaką metodą obecnie uzyskuje się temperatury bliskie zeru bezwzględnemu?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Standardowym sposobem otrzymania niskiej temperatury jest wykorzystanie skroplonych gazów. Technika ta, przy wykorzystaniu skroplonego helu, pozwala osiągnąć temperaturę tak niską jak −270 °C (4 K), czyli dosyć blisko zera bezwzględnego. Nie jesteśmy jednak w stanie zejść poniżej tej temperatury. Hel jest najlżejszym pierwiastkiem którego gaz jesteśmy w stanie skroplić, i tym samym za pomocą tej techniki nie jesteśmy w stanie obniżyć temperatury poniżej 4 K.

Osiągniecie niższych temperatur jest jednak możliwe przy wykorzystaniu kombinacji dwóch innych technik. Pierwszą jest tak zwane chłodzenie laserowe („laser cooling”). W procesie tym atomy gazu są schładzane za pomocą wiązki laserowej i wykorzystując efekt Dopplera. Pozwala to osiągnąć temperatury poniżej 1 mK, czyli ponad tysiąckrotnie niższe niż przy wykorzystaniu skroplonego Helu. Drugą stosowaną techniką jest odparowywanie – pozwalamy najgorętszym atomom wydostać się ze zbiornika z gazem (tak naprawdę pułapki optycznej). W ten sposób temperatura pozostałych atomów obniża się. Metoda ta pozwala na schłodzenie na przykład gazu rubidu do temperatury 150 nK, czyli o kolejne 4 rzędy wielkości mniejszej.

W temperaturze tej gaz rubidu zmienia stan w tak zwany kondensat Bosego-Eiensteina. Jest to nowy stan materii o bardzo ciekawych właściwościach. Na przykład, w kondensacie Bosego-Einsteina duża liczba atomów zajmuje ten sam stan kwantowy, co pozwala powiększyć, a tym samym dokładniej badać, zjawiska kwantowe. Za uzyskanie kondensatu Bosego-Einsteina, Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle zostali uhonorowani w 2001 roku nagrodą Nobla. Natomiast w 1997 roku, Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji i William D. Phillips otrzymali nagrodę Nobla za rozwój techniki chłodzenia laserowego i pułapek optycznych.

O tym jak otrzymywać najniższe temperatury można przeczytać także np. tutaj.