Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Na počátku byl omyl

Nobelova cena za fyziku za rok 1996 – David M. Lee, Douglas D. Osheroff a Robert C. Richardson
Publikováno: Vesmír 76, 72, 1997/2
Obor: Fyzika
Rubrika: Nobelovy ceny

Královská švédská akademie věd se rozhodla ocenit udělením Nobelovy ceny za rok 1996 objev supratekuté fáze 3He z r. 1972. Helium je prvek s pozoruhodnými vlastnostmi souvisejícími s jeho malou hmotností. V jeho chování se projevují v makroskopickém měřítku fyzikální zákonitosti, které byly formulovány pro vysvětlení jevů mikrosvěta – zákony kvantové mechaniky. Nejsložitějšími dosud poznanými jevy jsou právě projevy supratekutosti v 3He.

Co je supratekutost
Kamerlingh-Onnes otevřel zkapalněním helia novou epochu ve vývoji fyzikálního poznání. Využil kapalné helium ke zkoumání vlastností kondenzovaných látek v nových podmínkách. Snižováním tlaku par nad hladinou kapalného helia v tepelně izolované nádobě dosáhl dalšího snižování teploty helia až k 1 K. Když zkoumal změnu elektrického odporu čistých kovů při snižování teploty, objevil r. 1911 supravodivost nejprve ve rtuti, poté i v řadě dalších kovů. Jeho průkopnické dílo bylo oceněno udělením Nobelovy ceny r. 1913. Mezi mnoha nízkoteplotními experimenty, jejichž výsledky Kamerlingh-Onnes publikoval ve fyzikálním časopise Leidenské univerzity, který sám založil, bylo i měření poměru objemů plynné a kapalné fáze helia v závislosti na teplotě. V okolí teploty 2 K naměřil zlom na této závislosti, jevem se však dále nezabýval. Teprve v 30. letech P. Kapica v řadě experimentů ukázal, že při poklesu teploty na 2,17 K se helium začalo chovat neobvyklým způsobem. Protékalo zcela nepatrnými otvory (např. mezi zrnky velmi jemného prášku napěchovaného v trubičce), jako by nemělo žádnou viskozitu. Kapica nazval toto chování helia supratekutostí. Roku 1978 byl Kapicův objev oceněn Nobelovou cenou za fyziku. V supratekutém heliu se silně zvětší tepelná vodivost, takže je srovnatelná s tepelnou vodivostí mědi za pokojové teploty. Velká tepelná vodivost způsobí výraznou změnu v charakteru varu kapalného helia. Máme-li možnost pozorovat kapalné helium ve skleněné tepelně izolované nádobě (v kryostatu), snadno si změny povšimneme. Helium, které vřelo v celém objemu a tvořící se jemné bublinky par vytvářely opalizující efekt, se při poklesu teploty pod 2,17 K náhle zcela uklidní a stane se dokonale čirým s naprosto klidnou hladinou. V supratekutém heliu nelze vytvořit místa s rozdílnou teplotou. Rozdělíme-li však nádobu se supratekutým heliem na dvě části, které spojíme trubičkou vyplněnou velmi jemným práškem, můžeme jednu část nádoby ohřát na vyšší teplotu, než má druhá část. Zjistíme přitom, že v teplejší části nádoby je hladina helia vyšší než v druhé části. Lze pozorovat i opačný jev. Vytvoříme-li v jedné části nádoby vyšší tlak než v druhé, bude mít supratekuté helium v části nádoby s vyšším tlakem také vyšší teplotu. Tento úkaz, který vlastně narušuje starý známý zákon spojených nádob, se nazývá termomechanický jev. Stejného původu je i fontánový jev, který je rovněž možné pozorovat v baňce naplněné jemným práškem. Baňka je zdola otevřená a shora opatřená svislou kapilárou. Dodáváme-li do baňky teplo, například světelným paprskem, stříká z kapiláry trvalý proud helia. Na stěnách nádoby se supratekutým heliem pozorujeme film, tedy tenkou vrstvu, v níž se helium pohybuje vzhůru. Ponoříme-li tedy do helia prázdnou zkumavku tak, že její okraj zůstane nad hladinou, vteče časem po stěnách helium do zkumavky, až se hladina uvnitř zkumavky vyrovná s vnější hladinou. Zvedneme-li naplněnou zkumavku nad hladinu, supratekuté helium vytéká po stěně ze zkumavky a odkapává tak dlouho, dokud se zkumavka nevyprázdní. V supratekutém heliu se šíří nejen běžný zvuk, v tomto případě nazývaný první zvuk, který je tvořen vlnami hustoty, ale i další neobvyklé formy zvuku. Druhý zvuk představuje oscilace teploty, které nejsou doprovázeny změnami hustoty. O třetím zvuku se hovoří při vlnových procesech v povrchovém filmu, čtvrtý zvuk znamená šíření zvukových vln v úzkých kanálcích.

Když se provedla alternativní měření viskozity rotujícími tenkými disky, naměřila se v He II nezanedbatelná viskozita, která s klesající teplotou vzrůstala. Tento paradox a další jevy, o nichž jsme se zmínili, vysvětlila fenomenologická teorie dvousložkové kapaliny. Taková kapalina je složena ze supratekuté složky tvořené kondenzátem bozonů v základním stavu s nulovou energií a z normální složky. Jednotlivé atomy helia jsou přitom nerozlišitelné a nelze je rozdělit na atomy supratekuté a normální. Proudění v úzkých kanálcích se účastní jen supratekutá složka, a proto se v nich He II pohybuje bez tření. Rotující disky strhávají s sebou normální složku, proto je jejich pohyb brzděn. Termomechanický jev lze vysvětlit přítokem supratekuté složky do míst, v nichž její koncentrace poklesla v důsledku vyšší teploty. Tato dnes již historická představa dvousložkové kapaliny slouží stále jako užitečný model k vysvětlení vlastností He II, i když je známo, že díky interakcím mezi atomy helia se ve stavu kondenzátu bozonů nachází jen malá část atomů.

Významný pokrok v chápání hydrodynamiky He II přinesla teorie kolektivních excitací, kterou r. 1947 formuloval Lev D. Landau a r. 1962 byl za ni vyznamenán Nobelovou cenou. Podle této teorie se v He II vyskytují dva druhy excitací ze stavu Boseho kondenzátu. Při nízkých energiích se budí fotony analogické těm, jimiž se popisují kmity mřížky atomů v pevných látkách a které souvisejí s šířením zvuku v He II. Zcela novým typem excitací jsou rotony, které nemají žádnou analogii v klasických kapalinách. Landauova teorie byla potvrzena experimenty s rozptylem neutronů. Kritická rychlost proudění He II, tedy rychlost, při níž se začnou projevovat zmíněné excitace, vycházela však z této teorie o několik řádů větší než rychlost změřená v experimentech. Diskrepanci odstranila teorie kvantových vírů, jejímž autorem je Richard P. Feynman. V rotujícím He II vznikají nad určitou kritickou úhlovou rychlostí víry s jádrem tvořeným normální nesupratekutou kapalinou. Rotační moment těchto vírů je kvantován a víry tvoří pravidelnou mřížku. Fascinující svět makroskopických projevů kvantové teorie činí ze studia kvantových vírů jeden z nejvýznamnějších oborů soudobé fyziky nízkých teplot.

Supratekutost 3He
Souběžně s teorií supratekutosti se vyvíjela teorie supravodivosti a stávalo se stále zřejmějším, že mezi těmito jevy existují mnohé souvislosti. Roku 1957 formulovali J. Bardeen, L. N. Cooper a J. R. Schrieffer mikroskopickou teorii supravodivosti (dostali Nobelovu cenu r. 1972). V této teorii, označované BCS, předpokládali, že elektrony v kovech se mohou jistým způsobem vzájemně přitahovat a vytvářet tak novou částici, tzv. Cooperův pár. Tyto částice už nejsou fermiony (částice s poločíselným spinem) jako jednotlivé elektrony, ale mají charakter bozonů. Jak mechanické, tak i magnetické momenty spárovaných elektronů se orientují proti sobě a výsledný moment páru je nulový. Takové částice už mohou vytvářet Boseho kondenzát a způsobit tak supravodivost.

Bylo možné předpokládat, že párování podle teorie BCS nastane i mezi jinými fermiony, např. mezi atomy 3He. Teoretický odhad kritické meze, pod níž by párování mohlo nastat, vedl zpravidla k teplotám mnohem nižším, než mohla dostupná kryogenní technika poskytnout. Přesto se řada laboratoří pustila do hledání supratekutého 3He nezřídka zároveň se zkoumáním vlastností pevného 3He, které projevuje zajímavé magnetické vlastnosti soustavy spinových magnetických momentů atomových jader. Takovouto problematikou se pod vedením profesora Davida Lee zabýval také doktorand Douglas Osheroff na Cornellově univerzitě v Ithace ve státě New York. Spolu s mladým spolupracovníkem Robertem Richardsonem připravovali aparaturu pro chlazení 3He na teplotu blízkou 1 mK.

Použili k tomu tzv. Pomerančukovu komůrku, v níž se kapalné, tepelně izolované 3He postupně stlačuje a přechází přitom do pevného skupenství. Při této krystalizaci dochází k absorpci tepla, a tedy ke snižování teploty 3He. Když se dalšími měřeními přesvědčili, že anomálie nejsou způsobeny nějakou nedokonalostí aparatury, publikovali autoři takto naměřenou křivku v článku „Důkaz existence nové fáze v pevném 3He“, který v únoru 1972 zaslali časopisu Physical Review Letters. V článku však při rozboru jevu konstatovali, že zjištěné fázové přechody nebyly nalezeny při měření magnetické susceptibility pevného 3He. V dalších experimentech se autoři zaměřili na rozlišení mezi projevy kapalné a pevné fáze. Použili k tomu metodu jaderné magnetické rezonance, jejíž signál v kapalné fázi se výrazně liší od signálu v pevné fázi. V nové Pomerančukově komůrce bylo prostřednictvím gradientu teploty zjištěno, že krystalky 3He vznikaly přednostně v určité části komůrky. Magnetické pole působící v komůrce bylo vytvořeno tak, aby pomocí jeho gradientu bylo možné zvolit oblast, v níž rezonanční signál vznikal, podobně jako to ve zdokonalené formě dělá soudobá rezonanční tomografie. Již 20. 4. 1972 ve 2,40 hod. si Douglas Osheroff mohl do svého laboratorního deníku napsat: „Dnes v noci jsem objevil BCS přechod v kapalném 3He“. Jako anekdota zní skutečnost, že článek, v němž byly popsány výsledky experimentů jaderné magnetické rezonance, které jednoznačně prokázaly přítomnost supratekutých fází 3He, zprvu redakce Physical Review Letters odmítla. Jeden z recenzentů totiž napsal, že „systém se nemůže chovat tak, jak autoři tvrdí, že se chová“.

V dalších experimentech se ukázalo, že existují dvě supratekuté fáze 3He. Při snižování teploty se normální 3He nejprve přemění ve fázi A, podle současných zpřesněných měření při teplotě 2,50 mK na křivce tání tato fáze při teplotě 1,95 mK přejde ve fázi B. V přítomnosti magnetického pole se podél fázového rozhraní objeví ještě třetí supratekutá fáze, nazvaná A1. Hydrodynamické vlastnosti supratekutých fází 3He jsou v mnohém podobné vlastnostem supratekutého 4He. Přímé ověření supratekutých vlastností nových fází provedla poprvé helsinská skupina pod vedením O. V. Lounasmaa měřením viskozity prostřednictvím útlumu kmitů tenkého kovového vlákna v magnetickém poli. Řadu zásadních experimentů vykonal se svými spolupracovníky na univerzitě v La Jolla J. C. Wheatley. K chlazení 3He používal metodu adiabatické demagnetizace paramagnetických solí, která umožnila studovat chování supratekutých fází i při nižších tlacích pod křivkou tání. Dnes má řada světových laboratoří k dispozici kryogenní aparatury s několika chladicími stupni, kde se nejnižších teplot na úrovni desítek mikrokelvinů dosahuje jadernou demagnetizací. Zajímavé výsledky se získaly také při studiu šíření a útlumu různých druhů zvuků v supratekutých fázích.

Zcela neobvyklé jevy byly pozorovány při měření magnetické rezonance jader 3He, a zejména na nich je založena teorie vzniku supratekutého stavu 3He. Ve fázi A je rezonanční signál posunut k vyšším frekvencím oproti rezonanci v normálním 3He, tento posuv se s klesající teplotou zvětšuje a je zároveň nezávislý na velikosti působícího magnetického pole. Při přechodu do fáze B posuv zmizí a intenzita signálu klesne na polovinu. V obou fázích je možné pozorovat i zcela neobvyklou paralelní rezonanci, při níž je statické magnetické pole rovnoběžné s vysokofrekvenčním rezonančním polem (v běžné jaderné magnetické rezonanci jsou tato pole na sebe kolmá). Neobvyklé jevy lze pozorovat také při pulzním buzení rezonance, ve fázi B byl detegován po skončení budicího pulzu dlouho doznívající signál tzv. volné precese.

Teoretický model párování atomů 3He podal anglický fyzik A. J. Leggett záhy po zveřejnění výsledků rezonančních měření. Na rozdíl od vzniku supravodivosti v kovech, kdy se párují elektrony s opačnými spinovými i orbitálními momenty tak, aby výsledný magnetický i mechanický moment páru byl nulový, tvoří páry atomů 3He spinové i orbitální triplety. Znamená to, že jejich výsledný spinový i magnetický moment má hodnotu 1 a podle kvantové mechaniky může v prostoru zaujímat tři různé polohy. Můžeme hovořit o třech kondenzátech označených symbolicky (↑ ↑), (↓ ↓) a (↓ ↑ + ↑ ↓) podle orientace spinů jader 3He vytvářejících páry. Fáze A je tvořena prvními dvěma kondenzáty a je ve svých vlastnostech velice anizotropní. Je zajímavé, že existence takovéto fáze byla teoreticky předpovězena již r. 1961 jako zobecnění teorie BCS. Podle autorů teorie P. W. Andersona, W. F. Brinkmana a P. Morela se fáze A někdy označuje také jako fáze ABM. Ve fázi A1 v přítomnosti magnetického pole zbude pouze kondenzát orientovaný do směru pole (↑ ↑) a vznikne tak anizotropní magnetická fáze. Ve fázi B jsou přítomny všechny tři kondenzáty a fáze je tedy izotropní. Její existence, kterou teoreticky předpověděli r. 1963 R. Balian a N. R. Werthamer, se označuje také jako fáze BW. S orientací spinových momentů je vždy svázána i orientace orbitálních momentů podle pravidel kvantové mechaniky. Supratekuté 3He se tak projevuje jako kapalina se složitými anizotropními topologickými vlastnostmi, které se uplatňují zejména při tečení kapalin a při vzniků vírů v rotující kapalině.

Objevem supratekutých fází 3He otevřeli D. M. Lee, D. D. Osheroff a R. C. Richardson novou rozsáhlou kapitolu fyzikálního bádání, která nalezla odezvu i v jiných, často vzdálených oborech, jako jsou například kosmologie, fyzika elementárních částic, magnetizmus, nebo kapalné krystaly.

HISTORIE HELIA

Teprve r. 1868 bylo spektrální analýzou slunečního světla objeveno na Slunci. Později bylo prokázáno i na Zemi. Zemská atmosféra obsahuje asi 0,5 ml helia na 100 l vzduchu. Některá naleziště zemního plynu obsahují až procentní koncentrace helia, takže je z nich možné získávat velká množství helia zpravidla přímo v kapalné podobě, jak je dnes potřebuje základní i aplikovaný fyzikální výzkum, chemie, lékařství i průmysl. Takto získané helium je tvořeno převážně izotopem helia 4, který má v jádře dva protony a dva neutrony. Druhý stabilní izotop – helium 3, jehož jádro je tvořeno rovněž dvěma protony, ale jen jedním neutronem, je ještě vzácnější. Na jeden jeho atom připadá v přirozené koncentraci helia řádově milion atomů 4He. Použitelná množství 3He byla k dispozici až po 2. světové válce zásluhou rozvoje jaderné fyziky i jaderného zbrojení. Vzniká totiž při rozpadu radioaktivního tritia. Rozdílné atomové hmotnosti těchto dvou stabilních izotopů helia jsou příčinou jejich výrazně odlišných fyzikálních vlastností. Vlastní mechanické a magnetické, tj. spinové momenty neutronů a protonů se v jádře 4He uspořádají proti sobě tak, že výsledný moment je nulový a atom 4He se chová jako bozon. Atomy 3He se kvůli lichému počtu nukleonů v jádře chovají jako fermiony se spinem 1/2. Odlišné chování izotopů je důsledkem platnosti Boseho-Einsteinovy statistiky pro bozony a Fermiho-Diracovy statistiky pro fermiony a projeví se při ochlazení na velmi nízké teploty.

Helium je plyn, který nejdéle odolával zkapalnění. Kyslík byl v kapalném skupenství (90,2 K) poprvé získán r. 1878, kapalný dusík (77,3 K) r. 1883 a posléze byl r. 1898 zkapalněn vodík (20,3 K). Teprve r. 1908 se Heike Kamerlinghovi-Onnesovi podařilo ochladit plynné helium až na teplotu 4,2 K, při níž přešlo do kapalného stavu. Ke zkapalnění 3He je třeba chladit až na teplotu 3,2 K. Oba tyto izotopy helia nemají ve svém fázovém diagramu trojný bod, tedy bod, ve kterém existují společně v rovnováze plynná, kapalná a pevná fáze. Za normálního tlaku zůstane helium kapalné, ať se přiblížíme jakkoli blízko k absolutní nule teploty 0 K, jinak též –273,15 °C. Abychom dostali pevné helium, musíme jej při nízké teplotě stlačit, 4He alespoň na 3,02 MPa, křivka tání 3He má minimum při 2,93 MPa a teplotě 0,319 K, v teplotách blízkých absolutní nule přechází 3He do pevné fáze při tlaku vyšším než 3,44 MPa.

M.R.

NĚKOLIK POZNÁMEK NA KONEC

K objevu supratekutého 3He došlo v suterénu Fyzikální fakulty (Clark Hall) Cornellovy univerzity, v mimořádně malebném přírodním prostředí nedaleko městečka Ithaca ve státě New York v USA. V přímém okolí jsou hluboké kaňony, kterými protékají malé říčky, a území univerzity se dotýkají také veliká jezera. Z četných vodopádů je prý jeden vyšší, než jsou známé Niagarské vodopády, i když vody v něm protéká mnohem méně. V suterénu několikapatrové budovy je umístěna „těžká experimentální technika“ různých pracovních skupin, zabývajících se nízkými teplotami a různými problémy fyziky pevných látek. Vlastní pracovny a studovny jsou ve vyšších patrech budovy.

Školitelem Douglase Osheroffa byl David Lee, o němž říká Osheroff ve své doktorské disertační práci toto: jeho jemné vedení, pevná jistota a nakažlivý entuziazmus byly velmi důležité pro úspěch experimentů. Protože profesora Lee dobře znám, mohu to plně potvrdit. D. Lee přistupuje ke svým studentům jako k rovnocenným pracovním partnerům, podněcuje je v častých diskusích k vyjádření vlastních názorů na další postup a vysvětlení naměřených dat, a hlavně nadšeně oceňuje jejich myšlenky, i když se později při společném rozboru ukáže, že jev je třeba vysvětlit jinak. Student má pocit, že jeho myšlenky jsou stejně důležité jako názory jiných autorit, kterých je na Fyzikální fakultě plno. David Lee, pokud je na fakultě, dělí svůj čas rovnoměrně mezi suterén a svoji pracovnu, kde pro něj mezi knihami, časopisy a separáty zbývá už jen málo místa. Jeho úsměvnou pohodou a respektem ke všem spolupracovníkům jsou ovlivněny i vztahy mezi ostatními pracovníky skupiny.

Přínos profesora Richardsona pro svou práci charakterizuje Osheroff takto: Oceňuji s vděčností mnohé důležité a klíčové Richardsonovy příspěvky ve všech fázích této práce. Jeho nesobecká účast byla podstatná pro úspěch experimentů. Od něj jsem se mnoho naučil. R. Richardson je věcný zkušený experimentátor.

Sám D. Osheroff byl talentovaným studentem s hlubokými teoretickými znalostmi a mimořádným nadáním pro přesné a velmi citlivé experimenty. Po ukončení studia na Cornellově univerzitě získal pětileté stipendium, které mu umožňovalo pobyt na univerzitách podle jeho výběru.

Všichni tři noví nositelé Nobelovy ceny za fyziku se zúčastnili 21. mezinárodní konference o fyzice nízkých teplot, která se konala v Praze 8. – 14. 8. 1996. Všichni se svou výraznou aktivitou podíleli na úspěchu tohoto vědeckého setkání. Všichni měli plenární přednášky, Richardson byl řečníkem na banketu konference a Osheroff jako předseda Komise velmi nízkých teplot Mezinárodní unie čisté a aplikované fyziky konferenci uzavíral.

3He je jedním ze čtyř objektů, v nichž se projevuje Boseho-Einsteinova kondenzace, která má u 3He charakter makroskopické supratekutosti – jednoho makroskopického kvantového jevu. Jak již jsme se zmínili, dalším objektem je 4He, ve kterém dochází k supratekutosti při teplotě tisíkrát vyšší než u 3He. Třetím objektem, v němž probíhá Boseho-Einsteinova kondenzace, jsou elektrony v kovech. Ty se této kondenzace dopracují tím, že se podobně jako atomy 3He sdruží do Cooperových párů. Na těchto třech objektech je pozoruhodné, že za objev Boseho-Einsteinovy kondenzace v nich (která se u izotopů helia jmenuje supratekutost a u elektronů supravodivost) byly uděleny Nobelovy ceny za fyziku.

Roku 1995 byla na Coloradské univerzitě v Boulderu v USA objevena Boseho-Einsteinova kondenzace v plynu složeném z atomů rubidia. Vzorek se skládal z několika tisíc atomů ochlazených pomocí laserového záření na teploty 75 nK. V roce následujícím po tomto objevu byla pozorována Boseho-Einsteinova kondenzace již na „velikém“ množství dvou milionů atomů a další skupina pozorovala tento jev na atomech sodíku. Vedoucími pracovní skupiny, která učinila tento objev v Boulderu, byli Carl E. Wieman a Eric Cornell, jimž byla udělena na výše uvedené nízkoteplotní konferenci v Praze prestižní Londonova cena. Carl E. Wieman přednesl úvodní plenární přednášku. Chcete hádat, kdo bude mezi příštími nositeli Nobelovy ceny za fyziku?

Stanislav Šafrata

Diskuse

Žádné příspěvky