Primi sperimentimodifica
Nel 1904 lo scienziato olandese Heike Kamerlingh Onnes creò un laboratorio speciale a Leida con l’obiettivo di produrre elio liquido. Nel 1908 riuscì ad abbassare la temperatura a meno di -269 °C (-452,2 F, 4 K), che è inferiore a quattro gradi sopra lo zero assoluto. Solo in questo stato eccezionalmente freddo l’elio si liquefa, il punto di ebollizione dell’elio è a -268,94 °C (-452,092 F). Kamerlingh Onnes ha ricevuto un premio Nobel per il suo successo.,
Il metodo di Onnes si basava sulla depressurizzazione dei gas soggetti, facendoli raffreddare mediante raffreddamento adiabatico. Ciò deriva dalla prima legge della termodinamica;
Δ U = Δ Q − Δ W {\displaystyle \Delta U=\Delta Q-\Delta W}
dove U = energia interna, Q = calore aggiunto al sistema, W = lavoro svolto dal sistema.
Considera un gas in una scatola di volume impostato. Se la pressione nella scatola è superiore alla pressione atmosferica, all’apertura della scatola il nostro gas funzionerà sull’atmosfera circostante per espandersi., Come questa espansione adiabatica e il gas ha fatto il lavoro
Δ Q = 0 {\displaystyle \Delta Q=0}
Δ W > 0 {\displaystyle \Delta W>0}
⇒ Δ U < 0 {\displaystyle \Rightarrow \Delta U<0}
Ora, come l’energia interna è diminuita, così come la temperatura.
Esperimenti modernimodiFica
A partire dal novembre 2000, sono state segnalate temperature di spin nucleare inferiori a 100 pK per un esperimento presso il laboratorio di bassa temperatura dell’Università di tecnologia di Helsinki., Tuttavia, questa era la temperatura di un particolare tipo di movimento—una proprietà quantistica chiamata spin nucleare—non la temperatura termodinamica media complessiva per tutti i possibili gradi di libertà. A temperature così basse, il concetto di “temperatura” diventa multiforme poiché il movimento molecolare non può essere assunto come media tra i gradi di libertà. La corrispondente emissione di picco sarà nelle onde radio, piuttosto che nell’infrarosso familiare, quindi è assorbita molto inefficientemente dagli atomi vicini, rendendo difficile raggiungere l’equilibrio termico.,
Laboratorio a bassa temperatura ha registrato una bassa temperatura record di 100 pK, o 1,0 × 10-10 K nel 1999.
L’apparecchio corrente per raggiungere le basse temperature ha due fasi. Il primo utilizza un frigorifero di diluizione dell’elio per arrivare a temperature di millikelvins, quindi la fase successiva utilizza la smagnetizzazione nucleare adiabatica per raggiungere picokelvins.
Le temperature estremamente basse sono utili per l’osservazione delle fasi meccaniche quantistiche della materia come i superfluidi e i condensati di Bose–Einstein, che sarebbero interrotti dal movimento termico.