地球上で絶対零度に近い温度を作り出すことに科学者はどの程度まで進歩したのでしょうか?

毎日出かける前に、私は習慣的に天気予報をチェックします。晴れか曇りか、風が強いか雨が降るかに加えて、私が最も注目する値は気温であり、これによって外出時にどのような服を着るべきかが大きく決まります。人間に深く関係するこの物理的パラメータは、物体の熱さや冷たさを表します。

今日お話しするテーマは温度、特に温度の物理的な限界である絶対零度です。

絶対零度は宇宙で到達できる最低温度です。この温度では、物質を構成する原子や分子の熱運動が完全に停止するからです。もちろん、これは理想気体モデルから導かれる限界です。物質間に他の相互作用がある場合、特に量子効果を考慮すると、運動は常に存在しますが、ここでは詳細には説明しません。今日は、なぜ絶対零度に近づき続ける必要があるのか​​、そしてどのようにして段階的に絶対零度に近づくのかに焦点を当てます。

物質には多くの相互作用があり、それらは力とも呼ばれます。既知の力には、強い相互作用、弱い相互作用、電磁相互作用、重力相互作用が含まれます。私たちの日常生活で最も一般的な力は電磁力と重力です。多数の粒子が集まると、それらの相互作用と環境の熱運動が一定のバランスに達し、比較的安定した状態が形成されます。これを物理学では「位相」と呼びます。温度は実際には環境内の熱運動の強さを表します。

温度を変えると、ある臨界点で上記のバランスが崩れ、物質はある相から別の相へと変化します。典型的な例としては、温度が0度以下に下がると水は凍って液体から固体に変化し、温度が100度に上がると水は沸騰して液体から気体に変化します。温度を上げ続けると、ある強い相互作用で結びついていた物質が徐々に分散し、物質本来の姿を追求し続けることができます。実際、高エネルギー粒子物理学ではこれを行っています。

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一方、温度を下げ続けると、徐々に弱い相互作用が現れ始め、超伝導などの多くの新しい凝縮現象が現れます。宇宙全体の温度はわずか2.7K、つまり摂氏マイナス270度まで冷えていますが、私たちは地球上で太陽の暖かさを感じています。気温がとても高いです。地球上で低温下で起こるさまざまな不思議な現象を探求し、利用しようとすると、安定した低温環境を人工的に作り出さなければなりません。

現代人にとって、低温技術を最も実感できるのは冷蔵庫とエアコンでしょう。夏には、Wi-Fi とともに生き残るための必須条件とも言えます。もちろん、物理学者の追求はこれをはるかに超えています。彼らは常に、あらゆる可能な物質的構造を探求するために全力を尽くすことを望んでいます。これに伴って低温環境の究極的な追求も行われます。

低温を実現するまでの道のりには、私たちがよく知る先駆者、ファラデーがいます。そうです、電磁誘導の法則を発見したのはファラデーでした。彼は塩素の化学的性質を研究していたとき、偶然に液体塩素を手に入れました。彼はそれが低温と高圧によって引き起こされたと結論付けた。それ以来、彼は止められなくなり、当時知られていたガスのほとんどすべてを液化しました。酸素、窒素、水素などのガスだけは液化できなかったため、彼はこれらのガスを「永久ガス」であると判断しました。もちろん、後の事実が彼の誤りを証明したが、結局ガス液化は彼の副業だったのだ。当時彼は化学者デイビッドの助手であり、彼の主な仕事は化学であったため、誤って塩素を液化させてしまったのです。

次に、フランス人のカイエテが酸素と窒素を液化しましたが、彼はジュール・トムソン効果という重要な効果を利用しました。今日の希釈冷凍機には、「コークス交換器」と呼ばれる重要なコンポーネントがあり、これはヘリウムを液化する上で重要な役割を果たします。窒素の液化により極低温限界はマイナス 196 度 (77K) まで上昇します。

しかし、より重要な人物はデュヴァです。今日の極低温貯蔵タンクはデュワーと呼ばれています。デュワーの重要な貢献は水素の液化でした。彼が採用した方法は段階的な液化と冷却でした。まず、液化しやすいガスを液化し、次に絞りと膨張を行ってさらに温度を下げました。次に、さらに液化が難しい別のガスを投入して液化し、その後、絞りと膨張を行って温度を下げるという工程を順次繰り返していきました。この思い切った方法を使って、彼は最終的に摂氏マイナス260度の温度を達成した。デュワーの願いは、最後の「永久ガス」であるヘリウムの液化を引き続き実現することだった。残念ながら、このガスはあまりにも不足していたため、十分な量を入手することができず、結局彼の願いは叶いませんでした。

このバトンを引き継いだのは、当時オランダのライデン大学の物理学研究所所長だったオンネス氏でした。彼のリーダーシップのもと、彼らはデュワーの段階的な冷凍技術を急速に開発し、強力な資金力に支えられて大規模な液化工場を建設しました。ハンプソン・リンデサイクル、低温デュワー、ジュール・トムソン効果を利用してヘリウムの液化に成功し、温度限界はさらにマイナス269度まで押し上げられました。その後、減圧冷却技術を用いて、さらに1.5K（約マイナス272度）まで下げられました。彼は「ミスター絶対零度」という称号も獲得した。オンネスは液体ヘリウムの助けを借りて初めて超伝導現象を発見しましたが、これもまた大きな話題です。ヘリウム液化技術が成熟した後、液体ヘリウムは最も一般的に使用される低温冷凍液体の 1 つになりました。低温であることに加え、さらに重要なのは、ヘリウムは不活性ガスであり、無毒で無害であり、爆発せず、液体水素よりもはるかに安全であるということです。

しかし、1.5K は絶対零度からはまだ遠い距離であり、絶対零度への道はまだ終わっていません。ヘリウムには、ヘリウム3 (3He) という別の同位体もあります。これは通常の圧力では決して固体にならない物質です。圧力を下げてヘリウム3を冷却することで、理論的には温度を絶対零度に連続的に近づけることができるが、必要な排気速度が高すぎるため技術的に実現できない。

その後、科学者たちは、ヘリウム4に溶解したヘリウム3の溶液の温度が約0.8K以下に下がると、2つの相が濃厚相と希薄相に分離することを発見しました。ヘリウム 3 原子が 2 つの相の界面を通過するときに、いくらかの熱を奪います。これは、固体の極低温を得るための最も重要な技術である希釈冷凍技術の基礎となっています。これは希釈という言葉の意味でもあります。絶対零度でも希薄相にはまだ約 6% のヘリウム 3 が存在するため、この冷却プロセスは絶対零度に非常に近い状態まで継続できます。希釈冷却により、温度を数 mK まで下げることができます。これは絶対零度よりわずか数十分の 1 度高い温度です。

さらに下には核断熱消磁技術があり、これも温度を1mK以下に下げることができます。この時点で、固体冷却の技術は基本的に限界に達しています。しかし、小さな原子ガス群をレーザーで減速させることで、ガス温度をマイクロKレベルまで下げることができます。

低温の限界がどこなのかはわかりませんが、探査のペースは止まることはないと思います。今日、私たちは超低温条件が、未来の世界に革命をもたらす可能性のある技術、量子コンピューティングの開発を可能にすることを発見しました。もしこれがいつか現実のものとなったら、それは超低温技術が人類にもたらす最大の恵みとなるかもしれません！

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 金一栄

査読者：周暁良（北京交通大学物理学研究室）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司