Фізика низьких температур — розділ фізики, що займається вивченням фізичних властивостей систем, які знаходяться при низьких температурах. Зокрема, цей розділ розглядає такі явища, як надпровідність і надплинність. Фізика низьких температур вивчає фізичні процеси, що протікають за дуже низьких температур, аж до абсолютного нуля, займається вивченням властивостей матеріалів за цих низьких і наднизьких температур, і таким чином пов'язана з багатьма галузями науки і техніки.[1]

Методи отримання низьких температурРедагувати

Випаровування рідинРедагувати

Для отримання і підтримки низьких температур зазвичай використовують зріджені гази. У посудині Дьюара, яка містить зріджений газ, що випаровується за атмосферного тиску, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння холодоагенту. Найчастіше використовувані холодоагенти — рідкий азот і рідкий гелій. Раніше використовувалися зріджені водень і кисень, які зараз використовуються досить рідко через підвищену вибухонебезпечність випарів. Разом з тим азот і гелій практично інертні і небезпеку становить тільки різке розширення при переході з рідкого в газоподібний стан.

Знижуючи тиск над вільною поверхнею рідини можна отримати температуру, нижчу від нормальної точки кипіння цієї рідини. Наприклад, відкачуванням пари азоту можна отримати температуру до температури потрійної точки 63 K, відкачуванням пари водню (над твердою фазою) можна отримати температуру 10 K, відкачуванням пари гелію можна отримати (при дуже хороших умовах проведення експерименту) температуру близько 0,7 K.

ДроселюванняРедагувати

Під час протікання через звуження прохідного каналу трубопроводу — дросель, або через пористу перегородку відбувається зниження тиску газу або пари разом зі зниженням його температури. Ефект дроселювання використовується головним чином для глибокого охолодження і зрідження газів.

Зміна температури за малої зміни тиску внаслідок ефекту Джоуля-Томсона визначається похідною  , званою коефіцієнтом Джоуля-Томсона.

Розширення з виконанням зовнішньої роботиРедагувати

Можна охолоджувати газ, використовуючи детандер — пристрій для додаткового охолодження газу шляхом його випуску під тиском у циліндр з поршнем, який переміщається із зусиллям. При цьому газ здійснює роботу і охолоджується. Використовується в циклі отримання рідкого гелію.

Якщо замість поршня використовувати турбіну — вийде турбодетандер, принцип дії якого аналогічний.

Адіабатне розмагнічуванняРедагувати

Метод заснований на ефекті виділення теплоти з парамагнітних солей під час їх намагнічування і подальшого поглинання теплоти під час їх розмагнічування. Це дозволяє отримувати температури аж до 0,001 K. Для отримання дуже низьких температур найбільше підходять солі з малою концентрацією парамагнітних іонів, тобто солі, в яких сусідні парамагнітні іони відокремлені один від одного немагнітними атомами.

Ефект ПельтьєРедагувати

Ефект Пельтьє використовують у термоелектричних охолоджувальних пристроях. Він заснований на зниженні температури спаїв напівпровідників під час проходження через них постійного електричного струму. Кількість виділеної теплоти та її знак залежать від виду речовин, що контактують, сили струму і часу проходження струму, тобто кількість теплоти, що виділяється, пропорційна заряду, що пройшов через контакт.

Кріостат розчиненняРедагувати

У процесі охолодження використовується суміш двох ізотопів гелію: 3He і 4He. Під час охолодження нижче 700 мК, суміш зазнає мимовільного розділення фаз[en], утворюючи фази багату на 3He і багату на 4He. Суміш 3He/4He зріджується в конденсаторі, приєднаному через дросель до частини змішувальної камери, багатої на 3He. Атоми 3He, проходячи через межу розділення фаз, відбирають енергію у системи. Кріостати розчинення з безперервним циклом зазвичай використовуються в низькотемпературних фізичних експериментах.

Вимірювання низьких температурРедагувати

Первинним термометричним приладом для вимірювання термодинамічної температури аж до 1 К служить газовий термометр. Використовуються термометри опору (платиновий — для прецизійних вимірювань, мідний, вугільний).

Як вторинні термометри можуть використовуватися термопари, напівпровідникові діоди — однак вони вимагають градуювання. Аналогом термометрії за тиском насиченої пари в області наднизьких температур є вимірювання температури в діапазоні 30-100 мК за осмотичним тиском ³He в суміші ³He — 4He.

Історія фізики низьких температурРедагувати

Основні етапи розвитку фізики низьких температур були пов'язані зі скрапленням газів, які дозволяли проводити вимірювання за температури, рівної температурі кипіння.

Спеціальність ВАКРедагувати

«Фізика низьких температур» (шифр спеціальності 01.04.09) — галузь фундаментальної науки, що вивчає фізичні явища і стани речовини, характерні для температур, близьких до абсолютного нуля. Включає теоретичні та експериментальні дослідження структури і властивостей речовини в чистому квантовому стані та фізичної природи й характеристик різних елементарних збуджень, а також квантових кооперативних явищ, таких як надплиність, надпровідність, бозе-конденсація, магнітне, зарядове і інші типи впорядкування.[3] Паспорт спеціальності ВАК «Фізика низьких температур» передбачає такі галузі дослідження:

  • Кінетичні та рівноважні властивості металів і сплавів при низьких температурах.
  • Низькотемпературні фазові переходи, зокрема надпровідність і надплинність.
  • Низькотемпературні квантові ефекти в напівпровідниках і діелектриках.
  • Низькотемпературний магнетизм.
  • Властивості квантових газів і квантових рідин.
  • Властивості квантових кристалів і кріокристалів.
  • Властивості невпорядкованих систем при низьких температурах.
  • Фізичні засади, методи одержання та вимірювання низьких і наднизьких температур.

Наукові журналиРедагувати

ПосиланняРедагувати

ПриміткиРедагувати

Див. такожРедагувати