人類は低温限界に近づくためにどのような努力をしてきたのでしょうか?

毎年夏になると、暑い環境に住む人々は涼を取るためにさまざまな方法を試みます。私たち一般人は、夏に涼しく過ごすために扇風機やエアコン、冷たい飲み物などを使います。

人間にとって、摂氏26度はすでに非常に快適な温度ですが、科学者にとってはそうではありません。科学者たちは低温限界に近づく方法を研究するために懸命に取り組んできました。では、人間が作り出せる最低気温はどれくらいでしょうか、そしてどうすればそれを達成できるのでしょうか?

熱伝導冷却

体を冷やすという点では、おそらく氷を使うのが最も直接的な方法でしょう。はい、これは私たちの生活の中で最も一般的に使用されている方法でもあります。たとえば、アイスアメリカンコーヒーを一杯飲んだり、氷で湿布したりします。

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では、なぜ氷は冷えるのでしょうか?これには中学校で習った熱伝導の概念が関係しています。

熱伝達には、熱伝導、熱対流、熱放射の 3 つの方法があります。

熱伝達の3つの方法 |画像ソースネットワーク

熱伝導とは、温度の異なる2つの物体が接触すると、熱が高温の物体から低温の物体に流れることを意味します。それは主に固体中の分子原子の振動から生じます。たとえば、体を冷やすには氷を使い、体を温めるにはホットパックを使います。

熱対流は気体または液体における熱伝達の主な方法であり、自然対流と強制対流に分けられます。自発対流プロセスは、冷水と温水の混合などの自然な対流です。強制対流は、ヘアドライヤーを使用するなど、外部からの力によって引き起こされる対流方法です。

熱放射は電磁波の形で熱が伝達されることです。たとえば、私たちが日光浴をすると、太陽のエネルギーが熱放射の形で私たちに伝わります。

それで疑問なのは、こんなに暑い日に氷はどこから来るのかということです。

一番簡単な方法は冷蔵庫で冷凍することです。私たちの生活で一般的に使用されている冷凍装置である冷蔵庫とエアコンは、どちらも熱力学サイクルプロセスである同様の冷凍原理を持っています。

熱力学サイクル冷凍

熱力学における循環過程の定義は、「ある平衡状態から始まり、任意の一連の過程を経て元の平衡状態に戻るシステムの全過程を循環過程と呼ぶ」というものです。

pV 図では、時計回りのサイクルプロセスは正のサイクルです。熱機関は、作動物質が高温熱源から熱を吸収し、増加した内部エネルギーの一部が仕事に使用され、一部が低温熱源を通じて外部に伝達されるという正のサイクルを実行します。

反時計回りに進行するプロセスを逆サイクルと呼びます。冷蔵庫は逆サイクルプロセスを実行します。つまり、外界がシステムに対して作業を行い、作業物質が低温熱源から熱を吸収し、それによって低温熱源の温度をより低いレベルに下げて、冷却の目的を達成します。

これらの基本的な理解を踏まえて、冷蔵庫の動作原理を見てみましょう。

冷蔵庫の動作原理の概略図。 |画像出典：参考文献[1]

作動物質（通常は高温高圧のガス）はコンプレッサーで圧縮された後、凝縮器で熱を放出し、高圧の液体になります。高圧液体は絞り膨張弁を通過して圧力が下がり、低圧液体になります。蒸発器に入り、冷凍室から熱を吸収して冷凍室の温度を下げ、自身も加熱されてガスとなり次のサイクルに入り、冷凍室の冷却効果を実現します。

エアコンの冷却原理も同様です。違いは、エアコン内部に電磁逆転弁があり、作動物質の流れ方向を変えることで、夏は冷房、冬は暖房を実現できることです。

エアコンの原理の模式図。 |画像出典：参考文献[1]

しかし、これらの冷蔵方法は私たちの実際の生活ニーズを満たすことしかできません。実験室で必要な温度はこれらの温度よりもはるかに低くなります。研究室が追求する極限温度は絶対零度です。熱力学の第三法則によれば絶対零度を達成することは不可能ですが、科学者たちは一歩一歩それに近づいています。

蒸発冷却

実験室で最も一般的な冷却方法は液体窒素と液体ヘリウムです。

高校の物理では、状態図について学びました。状態図を見ると、高圧・低温の条件下では気体が圧縮されて液体になることがわかります。そのため、液体ヘリウムや液体窒素は低温環境を提供することができます。

相図 |画像ソースネットワーク

1900 年に、国際温度目盛りでは、熱力学的温度目盛りが基本的な温度目盛りであると規定されました。熱力学温度は T で表され、単位はケルビン、記号は K です。摂氏温度は記号 t で表され、単位は摂氏、記号は ℃ です。摂氏温度と熱力学的温度の関係は次のとおりです。

t=T-273.15

窒素は1883年にポーランドの物理学者ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキによって初めて液化されました。ヘリウムは 1908 年にオランダの物理学者オンネスによって液化されました。これは液化された最後のガスでもありました。液体ヘリウムの出現により、超伝導の発見の条件が整いました。

液体窒素の沸点は約-196℃（77K）で、液体ヘリウムの沸点は4.2Kです。

液体窒素や液体ヘリウムは室温では非常に低温で揮発性も極めて高いため、保管時には空気との熱交換を最小限に抑える必要があり、専用の容器に保管する必要があります。

実験室で液体窒素や液体ヘリウムを保管するための容器がデュワー容器で、1892年にデュワー社が発明した断熱効果に優れた容器です。デュワーフラスコの2つの壁の間には真空層があります。真空層の存在により分子の熱運動が減少し、熱損失が効果的に防止されます。

ヘリウムを液化した後、ヘリウムの蒸発を冷却に利用することが低温を達成するための主な手段です。

ヘリウムには³Heと⁴Heという2つの同位体があります。地球上のヘリウムの主成分は⁴Heであり、大気中の³He含有量は⁴He含有量のわずか100万分の1です。

飽和蒸気圧と温度の関係に基づいて、蒸発冷却を実現できます。 ⁴He蒸発冷却は1Kの低温を実現できますが、⁴Heは極低温で超流動現象を起こすため、つまり極低温になると⁴Heが容器壁に沿って上へ上へと上がる液膜層を形成し、蒸発と熱漏れを引き起こし、⁴He蒸発冷却が到達できる最低温度を制限します。

しかし、「彼にはこの問題はありません。」さらに、同じ飽和蒸気圧では、³He の温度は ⁴He の温度よりも低くなります。したがって、³He の蒸発冷却を使用すると、より低い温度を実現できます。最低温度は200～300mKに達することがあります。

慣習的に、 1K 未満または 300mK 未満の環境を極低温と呼びます。つまり、蒸発したヘリウム4の冷凍を利用するだけでは、極低温環境を実現することはできません。したがって、極低温の実験条件を得るためには、他の低温技術や手段が必要になります。

希釈冷凍

mK 範囲の温度を取得したい場合はどうすればよいでしょうか? 1965年から1966年にかけて、高い冷凍能力と長い連続稼働時間を備えた冷凍技術である³He希釈冷凍技術が開発されました。希釈冷凍の概念は 1951 年に提案され、1965 年に実現されました。成熟した商用希釈冷凍機は 1970 年代まで登場しませんでした。

³He-⁴He溶液状態図。 |画像出典：参考文献[3]

希釈冷凍の原理は何ですか？簡単ですよ。

実験により、³He-⁴He は極低温で相分離を起こすことが分かっており、これは³He-⁴He の溶液状態図からも確認できます。相分離ゾーンでは、溶液は濃縮 He 相と希薄 He 相に分割されます。 He原子は軽いため、濃縮されたHe相が上部に分布し、2つの相の間には明確な界面があります。しかし、相図から、絶対零度であっても、希薄相にはまだ一定量の³Heが存在していることがわかります。これは、希釈冷凍の鍵でもあります。

希釈冷凍の原理の理解は、蒸発冷凍の原理の理解に似ています。

希薄相では、超流動 He は完全に秩序化されており、その中での He の動きは完全に妨げられません。したがって、He 原子の場合、He 溶液は **「真空」状態** と見なすことができ、He が濃密相から希薄相に浸透することは、He 液体の「蒸発」と見なすことができます。 「蒸発」プロセスは熱を吸収するため、 He 高密度相の温度をさらに下げることができます。

He希釈冷凍方式を使用すると、温度を数mKまで下げることができ、低温を得る能力が大幅に向上します。

しかし、温度をさらに 1mK 未満に下げたい場合はどうすればよいでしょうか?

核断熱消磁冷凍

1934 年に Gorter が、1935 年に Kurti がそれぞれ独立に、核スピンに基づく断熱消磁冷凍法を提案しました。

核断熱消磁冷凍は、磁気モーメント系のエントロピーが温度と外部磁場の両方によって制御できるという事実を利用します。その原理は非常に単純です。

核断熱消磁冷凍の原理の概略図。 |画像出典：参考文献[2]

初期状態では、外部磁場がゼロのとき、冷媒の磁気モーメントの配置は乱れている。温度を変えずに磁場を増やすと、磁気モーメントの配置が一定になる傾向があります (これは単純な相変化プロセスであり、低温で水が凍結して氷になるプロセス、つまり無秩序から秩序へのプロセスに似ています)。これはエントロピー減少のプロセスであり、システムの温度が低下します。

次に、断熱条件下で磁場が減少し、冷媒が周囲の環境から熱を吸収して再び無秩序になり、それによって周囲の温度がさらに低下し、核断熱消磁冷凍の目的が達成されます。この方法を使用すると、温度を数十μKのオーダーまで下げることができます。

ヘリウムの液化により室温の 300K から4.2Kまで温度を下げることができます。

Heの蒸発冷却を利用することで1Kの低温を実現できます。

³He の蒸発冷却を利用することで、 300mKの低温を実現できます。

³He希釈冷凍機を使用すると、 2mKの低温を実現できます。

核断熱消磁冷凍は巨視的物体の温度を10μKのオーダーまで下げることができます。

室温から核断熱消磁冷凍まで、温度は7桁も飛躍的に上昇し、人類のマクロ的な冷凍限界に達しました。

低温物理学におけるあらゆる進歩は、基礎学問の発展と人類社会の進歩を促進します。気温がさらに低下する方向に進んでいく中で、私たちはすでに自然が設定した限界を超えています。

参考文献

[1] 黄樹清『熱力学講座（第2版）』高等教育出版社

[2] リン・シー、「核断熱消磁冷凍」、物理学、第3巻、1994年。 52（2023）第8号

[3] ヤン・ショウシェン、「希釈冷凍：極低温を実現する新しい方法」、物理学、1975年、4(2)