Låga temperaturer ger hög avkastning för forskare

Kvantstudier i sub-milliKelvin: Forskning om låga temperaturer hjälper forskare förstå naturen bättre. Forskare på Aalto-universitetet i finska Esbo utför experiment med temperaturer nära absoluta nollpunkten och flyttar fram gränserna inom fysiken. Deras resultat kan leda till nya framsteg inom hjärnforskning, nanoteknologi och kvantdata.

LTL (lågtemperaturlaboratoriet) på Aalto-universitetet har några av världens mest avancerade kryostater, med vilka fysikerna kan studera fenomen som annars inte är möjliga att observera. LTL använder flytande helium från AGA. LTL har utvecklat kryostater som kan nå temperaturer under -273 grader Celsius. Vid sådana extrema förhållanden börjar materian uppvisa ovanliga egenskaper – till exempel supraledning och superfluiditet som gör det möjligt att kontrollera beteendet hos elektroner i material som t.ex. aluminium.

Kvantmekaniken styr
”Vid låga temperaturer förändras de vanliga fysiska egenskaperna eftersom vi arbetar vid så kallade kvantgränser. Här kan man glömma värmefluktuationer. Allt styrs av kvantmekanik. Detta ger oss en unik möjlighet att undersöka olika fenomen och förbättra våra kunskaper om naturen. Under sådana förhållanden kan vi också utveckla olika ultrakänsliga sensorer och apparatur för praktiska vardagsuppgifter inom teknik, astrofysik och medicin”, säger Alexander Savin som är forskare på laboratoriet.

Flytande helium – en superfluid
LTL grundades 1965 och man har där arbetat fram unika tekniker på kylområdet sedan 1970-talet. Sedan dess har laboratoriet slagit flera världsrekord i att nå låga temperaturer, till exempel år 2000 när deras avmagnetiserande kryostat lyckades kyla ned ett prov till bara 0,0000000001 grader över absoluta nollpunkten.  Vetenskapen definierar den absoluta nollpunkten som -273,15 Celsius, en temperatur som aldrig kan nås. Men forskarna vill komma så nära den punkten som möjligt, för att studera vad som händer med olika fasta ämnen, kvantkristaller och vätskor vid så låga temperaturer.  Flytande helium används i det första kylningssteget och kan generera temperaturer ned till cirka 1 Kelvin (Kelvinskalan startar vid absoluta nollpunkten). I utspädningskylare används två olika heliumisotoper som köldmedium – Helium 3 och Helium 4 – som kyler proverna ytterligare.  Helium är avgörande för lågtemperaturexperiment eftersom det antar flytande form vid −269 grader Celsius och kan anta superfluidtillstånd vid ännu lägre temperaturer. Superfluider har noll viskositet och rör sig runt föremål utan friktion och utan energiförlust.

MilliKelvin och under
Under 2015 använde laboratoriet närmare 26 000 liter flytande helium från AGA i sina experiment. LTL använder också flytande kväve som kryovätska. Andra gaser, t.ex. vätgas och metan, används också i en del processer.  Användningen av dessa kylsystem är mycket komplicerad. Kyltiden för laboratoriets små kylare med flytande helium är åtta timmar. I en torr kylanläggning kan kyltiden uppgå till 26 timmar. Vissa experiment med temperaturer i milliKelvin och lägre kan ta flera veckor att förbereda, säger Alexander Savin.

”Lågtemperaturforskning är en mycket svår och tidsödande process. Experimenten som sådana kräver ofta längre tid eftersom vi har att göra med mycket svaga signaler och mycket hög känslighet för yttre störningar som vibrationer eller elektromagnetiskt brus. Vi skyddar våra experiment mot yttre faktorer genom att montera kryostaterna på särskilda vibrationsisolerande plattformar i ett rum som är skärmat mot radiofrekvenser”, säger Alexander Savin.

Nya tillämpningar
Den här typen av forskning handlar först och främst om grundläggande fysik, men vissa resultat används redan för tillämpningar i verkliga livet. Ett av de viktigaste områdena innefattar supraledning, dvs. när ett material förlorar all elektrisk resistens och alla magnetfält vid mycket låga temperaturer. Supraledande material kan användas för att skapa ultrakänsliga strålningsdetektorer och magnetometrar, som används inom bland annat bildtagning av hjärnan.
Aalto-universitetet har nu en särskild avdelning som arbetar specifikt med hjärnforskning. Man använder s.k. squidar (SQUIDs, Superconducting QUantum Interference Devices), som drivs med hjälp av lågtemperaturteknik.

”Om du vill upptäcka vissa signaler mycket exakt även vid rumstemperatur kan du använda squidar som du kyler ned varefter du kan upptäcka mycket små strömmar. Ett exempel är avkänning av små strömmar i den mänskliga hjärnan. Du kan till och med göra 3D-bilder av strömmarna som uppstår i hjärnan. Om en person har någon sjukdom kan du alltså se i vilken del av hjärnan som problemet ligger”, säger Alexander Savin.

Kvantteknik till realitet
Ett annat viktigt område för LTL är nanoteknologi, där forskarna försöker finna olika sätt att göra kvantteknik till en realitet. Enheter som arbetar i kvantfysikens gränsområden måste också kylas ned till en punkt nära absoluta nollpunkten för att kunna styras. Det är ett av skälen till varför vi inte kommer att se dem i handeln under den närmaste framtiden. ”De här projekten blir inte klara på en dag. När det gäller allmänna tillämpningar inom kvantteknik, till exempel kvantdata, så ligger de 10 till 20 år in i framtiden, i bästa fall”, säger Alexander Savin.

Text: Mattias Karén
foto: Shutterstock