Nature Physics –lehdessä julkaistussa kommenttisarjassa kylmäfysiikkaa

Kylmälaboratorion vanhemman tutkijan Juha Tuoriniemen kirjoitus "Physics at its coolest" julkaistiin alkuvuodesta osana Nature Physics –lehden uutta Measure for Measure –kolumnisarjaa. 

Sarjan neljässä kirjoituksessa pohditaan fysikaalisten mittausten kehittymistä ja uusien löydösten merkitystä fysiikan ilmiöissä aina lämpöopista SI-järjestelmän uudistamiseen sekä kylmäfysiikasta plasmafysiikkaan.

Kylmäfysiikkaa käsittelevässä kirjoituksessaan Tuoriniemi kirjaa tutkimuksen kehittymistä sekä pohtii miksi aina vain matalammat lämpötilat kiinnostavat tutkijoita. Tärkeitä kylmäfysiikan tutkimuksen löydöksiä ovat olleet kvanttimateria, suprajuoksevuus ja suprajohtavuus, jotka ilmenevät vain erittäin matalissa lämpötilaoissa.

−Hyvin matalissa lämpötiloissa atomit käyttäytyvät eri tavoin, ja järjestys systeemissä kasvaa vähentäen mittauksia haittaavaa lämpökohinaa. Tämä ilmiö mahdollistaa erittäin tarkkojen mittausten tekemisen, kertoo Juha Tuoriniemi.

Tärkeä käännekohta oli heliumin nesteyttäminen 1900-luvun alussa. Tuolloin ei vielä ymmärretty kvanttimekaniikan pelisääntöjä, mutta vähitellen aiemmin tuntemattomat lainalaisuudet ovat auenneet. Meni lähes neljäkymmentä vuotta ennen kuin täysin oivallettiin heliumin kvanttiominaisuudet, ja jäähdytystekniikassa tätä päästiin toden teolla hyödyntämään, kun kahta eri heliumtyyppiä, 3He  ja 4He, sekoitettiin sopivassa suhteessa.

Eräs merkittävä tutkimusalue on atomaariset kvanttikaasut, ns. kondensaatit, joilla tavoitellaan uudenlaista järjestystä hyvin lähellä absoluuttista nollapistettä. Kun kvanttikaasua kontrolloidaan ulkoisilla magneettikentillä laserjäähdytystä käyttäen, päästään todella mataliin lämpötiloihin. Absoluuttinen nollapiste on −273,15 Celsius asteessa, eli tasan 0 Kelviniä, mutta sitähän on sekä teoriassa että käytännössä mahdoton saavuttaa.

Aalto-yliopiston kylmälaboratorion tutkijat tekevät edelleen perustutkimusta kylmäfysiikassa. Moni yliopisto on luopunut tästä, koska kryostaatteja eli jäähdyttimiä saa nykyisin ostotavarana. Näitä tarjoaa esimerkiksi Kylmälaboratorion tutkimuksen pohjalta vuonna 2007 perustettu suomalainen yritys BlueFors Cryogenics Ltd. Se on saavuttanut merkittävän markkinaosuuden maailmalla myydyistä kryostaateista.

Kylmälaboratoriolla on edelleen kiinteiden aineiden kylmyysennätys, joka on 100 pikokelviniä eli 0,000 000 000 1 K vuodelta 1999. Tutkijoiden rakentama kryostaatti, jolla ennätys tehtiin, on edelleen käytössä, ja tällä hetkellä se palvelee tiiviin kvanttiaineen tutkimusta. Kvanttikaasujen kylmyysennätys, 50 picokelviniä, on MIT:n nimissä ja se on vuodelta 2010.

Lisätietoa

Juha Tuoriniemi
juha.tuoriniemi@aalto.fi
tel:+358503442846
Teknillisen fysiikan laitos
Kylmälaboratorio