Teadlastel on ülimadalatest temperatuuridest palju kasu

Ülimadalal temperatuuril tehtavad teadusuuringud aitavad teadlastel loodust paremini mõista. Soomes Espoos asuvas Aalto ülikoolis teevad teadlased tipptasemel laboris eksperimente absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel, et laiendada füüsika praegusi piire. Nende avastused võivad viia uute arenguteni aju-uuringutes, nanotehnoloogias ja kvantarvutuses.

Aalto ülikooli külmalaboris (Low Temperature Laboratory, LTL) asuvad mõned maailma moodsaimad krüostaadid. See võimaldab füüsikutel uurida nähtusi, mida muul viisil poleks võimalik vaadelda. Külmalaboris kasutatakse AGA tarnitavat veeldatud heeliumi, mille baasil on välja töötatud –273 °C madalamaid temperatuure saavutavad krüostaadid. Sellistes äärmuslikes tingimustes hakkavad ilmnema materjalide ebatavalised omadused, nt ülijuhtivus ja ülivoolavus, võimaldades kontrollida elektronide käitumist näiteks alumiiniumis.

„Madalatel temperatuuridel muutuvad üldised füüsikareeglid, kuna töö käib nn kvantpiiril, kus võib unustada termilised kõikumised ja kõike määrab kvantmehaanika. See annab meile ainulaadse võimaluse uurida mitmesuguseid nähtusi ja laiendada oma teadmisi loodusest. Lisaks võimaldavad sellised tingimused meil välja töötada mitmesuguseid ülitundlikke andureid ja seadiseid praktiliseks igapäevaseks kasutamiseks tehnoloogia, astrofüüsika ja meditsiini valdkonnas,” kirjeldab laboris töötav teadlane Alexander Savin.

Veeldatud heelium – ülivoolav vedelik

Külmalabor asutati 1965. aastal ja seal on alates 1970. aastatest välja töötatud ainulaadseid jahutusmeetodeid. Sellest peale on labor püstitanud mitu madalaima temperatuuri maailmarekordit, sh 2000. aastal, mil labori demagnetiseerimiskrüostaat jahutas proovi 0,0000000001 kraadini üle absoluutse nulli.

Teaduses on absoluutne nulltemperatuur defineeritud kui –273,15 °C – temperatuur, mida pole kunagi võimalik saavutada. Teadlased tahavad sellegipoolest sellele võimalikult lähedale jõuda, et uurida, mis juhtub nii madalal temperatuuril eri tahkiste, kvantkristallide ja vedelikega.

Jahutamise esimeses etapis kasutatakse veeldatud heeliumi, millega võib saavutada umbes 1-kelvinise temperatuuri (Kelvini skaala algab absoluutsest nulltemperatuurist). Nn lahustusjahutites kasutatakse seejärel kaht heeliumi isotoopi, heelium-3 ja heelium-4, et proovide temperatuuri veelgi alandada.

Heelium on ülimadalal temperatuuril eksperimentide tegemiseks hädavajalik, kuna see muutub temperatuuril −269 °C vedelikuks ja võib minna ülivoolavuse olekusse isegi madalamatel temperatuuridel. Ülivoolavate vedelike viskoossus on null, mis tähendab, et kui need voolavad objektide ümber, ei teki hõõrdumist ega energiakadu.

2015. aastal kasutati labori eksperimentideks pea 26 000 liitrit AGA veeldatud heeliumi. Külmalaboris kasutatakse krüogeense vedelikuna ka lämmastikku ning mõnes muus protsessis muid gaase, nt vesinikku ja metaani.

Selliste jahutusseadmete kasutamine on vaevarikas protsess. Laboris välja töötatud väikeste veeldatud heeliumiga jahutite jahutusaeg on kaheksa tundi. Kuivlahustusjahuti puhul võib see ulatuda 26 tunnini. Mõne millikelvini tasemel katse ettevalmistamiseks võib kuluda mitu nädalat, ütleb Alexander Savin.

„Ülimadalate temperatuuride uurimine on väga keeruline ja ajamahukas protsess. Katseteks kulub sageli rohkem aega ka seetõttu, et meil on tegemist väga nõrkade signaalidega ja väga suure tundlikkusega mis tahes väliste segavate faktorite, nt vibratsiooni ja elektromagnetilise müra suhtes. Katse kaitsmiseks väliste tegurite eest paigaldame oma krüostaadid spetsiaalsele vibratsiooniisolatsiooniga platvormile ruumis, mis on raadiosageduste eest varjestatud,” ütleb Alexander Savin.

Uued kasutusvõimalused

Kuigi selline teadustöö tegeleb valdavalt fundamentaalfüüsikaga, kasutatakse mõningaid avastusi juba ka päriselus. Üks rakenduste põhivaldkondi hõlmab ülijuhtivust, kui materjal kaotab väga madalatel temperatuuridel täielikult elektritakistuse ja magnetvälja. Ülijuhtide baasil saab luua ülitundlikke kiirgusdetektoreid ja magnetomeetreid, mida kasutatakse mitmel pool, sh aju piltdiagnostikas.

Aalto ülikoolil on nüüd eraldi aju-uuringute osakond, kus kasutatakse madaltemperatuuri tehnoloogia baasil töötavaid ülijuhtivaid kvantinterferomeetreid (nn SQUID).

„Kui soovite tuvastada mõningaid signaale väga täpselt ka toatemperatuuril, võib selleks kasutada SQUID-i, mida saab jahutada. Seejärel saab sellega tuvastada väga nõrka voolu. Üks selline näide on voolude tuvastamine inimese ajus ja koguni ajus esinevate voolude 3D-kujutiste loomine. Nii et kui inimene on haige, saab tuvastada, millise ajuosaga see probleem on seotud,” selgitab Alexander Savin.

Teine külmalabori oluline töösuund on nanotehnoloogia, kus teadlased otsivad viise kvantmehaanika praktiliseks kasutamiseks. Kvantseadmetega töötamiseks tuleb need jahutada absoluutse nulli lähedase temperatuurini. See on üks põhjus, miks neid pole lähiajal tavapoodi oodata.

„Need projektid ei ole ühepäevased ettevõtmised. Kui rääkida kvantmehaanika (näiteks kvantarvutuse) praktilisest kasutamisest, siis arvan, et selleni läheb parimal juhul vähemalt 10 kuni 20 aastat,” ütleb Alexander Savin.

Tekst: Mattias Karén