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極低温学の分野では、ヘリウム[He] はさまざまな理由で利用されています。ヘリウムの極めて低い分子量と弱い原子間反応の組み合わせにより、ヘリウムを臨界温度5.2 K 以下に冷却して液体にすると、興味深い特性が得られます。絶対零度(0K) でも、ヘリウムは常圧下では凝縮して固体になりません。この状態では、ヘリウムのゼロ点振動エネルギーは非常に弱い原子間結合相互作用に匹敵するため、格子形成が妨げられ、ヘリウムに流体特性が与えられます。[1]この液体状態では、ヘリウムにはヘリウム I とヘリウム IIと呼ばれる 2 つの相があります。ヘリウム I は、古典流体の熱力学的および流体力学的特性に加えて、量子特性を示します。ただし、ラムダ点2.17 K未満では、ヘリウムは He II に遷移し、粘度がゼロの量子超流体になります。[2]
ヘリウムは、T λ を超えて冷却されるなどの極端な条件下では、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）と呼ばれる新しい物質状態を形成する能力があり、この状態では原子は事実上すべてのエネルギーを失います。分子間で伝達するエネルギーがなければ、原子は凝集し始め、密度とエネルギーが等しい体積を作り出します。[3]観察によると、液体ヘリウムが超流動性を示すのは、BECの孤立した島々を含み、その大きさと位相が明確に定義され、フォノン-ロトン（PR）モードも明確に定義されているためです。[4]フォノンは、結晶格子の振動などの圧縮波に関連するエネルギー量子を指し、ロトンは超流動ヘリウムの基本励起を指します。BECでは、PRモードは同じエネルギーを持ち、これがヘリウムのゼロ点振動エネルギーが格子形成を防ぐことを説明しています。[5]
ヘリウムがTλ 以下の場合、液体の表面はより滑らかになり、液体から超流動への転移を示します。[6] 中性子衝撃を伴う実験はBECの存在と相関しており、それによって液体ヘリウムの超流動性や熱伝達などのユニークな特性の源が確認されています。[6] [7]
一見矛盾しているように見えるが、極低温ヘリウムシステムは、比較的低温の体積から比較的高温の体積へ熱を移動させることができる。[8]この現象は熱力学の第二法則に違反しているように見えるが、実験では、低温の体積が常に加熱され、高温の体積が常に冷却されるシステムではこれが当てはまることがわかっている。この現象は、液体ヘリウムと気体ヘリウムの相変化に伴う熱に関連していると考えられている。[8]
アプリケーション
液体ヘリウムは、さまざまな超伝導用途の冷却剤として使用されています。注目すべきは、荷電粒子を誘導するために磁石が使用される粒子加速器です。大きな磁場が必要な場合は、超伝導磁石が使用されます。超伝導体を効率的に動作させるには、それぞれの臨界温度以下に維持する必要があります。これには、非常に効率的な熱伝達が必要です。前述の理由により、超流動ヘリウムは超伝導体から熱を効果的に伝達するために使用できます。[9]
超流動ヘリウムの用途として提案されているものの 1 つに、量子コンピューティングがあります。量子コンピューターは、電子スピンなどの物質の量子状態を個別の量子ビット (キュービット) として利用します。これは、従来のコンピューターで情報の保存や処理タスクの実行に使用されているビットの量子アナログです。真空中の超流動ヘリウムの表面に存在する電子のスピン状態は、優れたキュービットとして有望です。使用可能なキュービットと見なされるためには、相互に作用しながらも外界との相互作用が最小限である個別の量子オブジェクトの閉じたシステムを作成する必要があります。さらに、量子オブジェクトはコンピューターで操作できなければならず、量子システムの特性はコンピューターが読み取り、計算機能の終了を通知できる必要があります。[10]真空中では、超流動ヘリウムはこれらの基準の多くを満たしていると考えられています。半導体ヘテロ構造で静電的に操作される電子と同様に、電子の閉じたシステムをコンピューターで読み取り、簡単に操作できるためです。液体ヘリウム量子システムのもう一つの利点は、真空中の液体ヘリウムに電位を印加することで、デコヒーレンスをほとんど起こさずに量子ビットを移動できることである。言い換えれば、電圧は、液体ヘリウム量子システムの構成要素間の波動関数の位相角の順序にほとんど影響を与えることなく、量子ビットを操作できる。[11]
高フラックスX線の出現は、タンパク質の高解像度構造を開発するための有用なツールを提供します。しかし、高エネルギー結晶構造解析は、研究対象のタンパク質に放射線損傷を引き起こします。タンパク質結晶へのラジカル損傷を防ぐには、窒素極低温システムよりも極低温ヘリウムシステムの方が効果的です。[12]
参照
参考文献
- ^ Yang, Shengfu、Andrew M. Ellis。「ヘリウム液滴：化学の視点」Chemical Society Reviews 42.2 (2012): 472-84。印刷。
- ^ Woods, A. DB、および RA Cowley。「液体ヘリウムの構造と励起」物理学の進歩に関する報告書 36.9 (1973): 1135-231。印刷。
- ^ ペンローズ、オリバー、ラース・オンサーガー。「ボーズ・アインシュタイン凝縮と液体ヘリウム」。Physical Review 104.3 (1956): 576-84。印刷。
- ^ Haussmann, R. 「BCS 超伝導とボーズ・アインシュタイン凝縮のクロスオーバー領域における超流動遷移におけるフェルミ液体の特性」 Physical Review B 49.18 (1994): 12975-2983. 印刷。
- ^ Bossy, Jacques, Jonathan Pearce, Helmut Schober、Henry Glyde。「ナノ多孔質媒体中の圧力下での液体ヘリウムのフォノン-ロトンモードと局所ボーズ-アインシュタイン凝縮」Physical Review Letters 101.2 (2008): n. pag. 印刷。
- ^ ab Charlton, TR, RM Dalgliesh, O. Kirichek, S. Langridge, A. Ganshin、および PVE Mcclintock。「液体ヘリウム表面からの中性子反射」低温物理学 34.4 (2008): 316-19。印刷。
- ^ Tsipenyuk, Yu. M., O. Kirichek、O. Petrenko。「常流体および超流動液体ヘリウムによる中性子の小角散乱」低温物理学 39.9 (2013): 777。印刷。
- ^ ab Pavel Urban; David Schmoranzer; Pavel Hanzelka; Katepalli R. Sreenivasan & Ladislav Skrbek (2013). 「極低温ヘリウムの対流における異常な熱輸送と凝縮」Proceedings of the National Academy of Sciences . 110 (20): 8036–8039. Bibcode :2013PNAS..110.8036U. doi : 10.1073/pnas.1303996110 . PMC 3657834 . PMID 23576759.
- ^ ピエール・パオロ・グラニエリ「LHC 加速器磁石の超伝導ケーブルと超流動ヘリウム槽間の熱伝達」スイス連邦工科大学ローザンヌ校 論文 No. 5411 (2012): 1–2 2012 年 8 月 29 日 http://infoscience.epfl.ch/record/180620/files/EPFL_TH5411.pdf
- ^ Dykman, MI, PM Platzman。「液体ヘリウム上に浮遊する電子による量子コンピューティング」Science 284 (1999): 1967-69。印刷。
- ^ Lyon, SA「液体ヘリウム上の電子を用いたスピンベースの量子コンピューティング」Physical Review A 74.5 (2006): 52338-2344. 印刷。
- ^ 極低温（<20 K）ヘリウム冷却はタンパク質結晶への放射線損傷を軽減する” Acta Crystallographica Section D. 2007 63 (4) 486-492