液体ヘリウムよりも低い温度にするためにはどうしますか？

Question

液体ヘリウムで下げられる温度はヘリウムの沸点である4 Kまですよね？

超伝導などでは、これより低い温度において実験が行われていますが、
これはどうやって温度を下げているのでしょうか？

kagakusuki · Accepted Answer

高山等の気圧の低い所では、水が100℃以下で沸騰するのと同様に、液体ヘリウムを入れた密閉容器に真空ポンプを繋いで、容器内部を減圧すると、液体ヘリウムが4.2Ｋ以下で沸騰して、更に温度が下がります。
　しかし、温度が2.17Ｋ以下になると、液体ヘリウムは超流動という、粘度が極端に低い状態になります。
　超流動状態の液体ヘリウムは、熱伝導率が極端に高くなったり、重力に逆らって薄い膜となって高速で容器や配管の内側全体に広がったりします。
　超流動状態になった液体ヘリウムは、真空ポンプに繋がっている配管を通って、急速に容器の外に逃げてしまいます。
　又、超流動ヘリウムの膜が温度の高い所まで広がると、その熱はあっという間に低温容器の中に伝わってしまいます。
　このため、液体ヘリウムを減圧する方法では、温度を1Ｋ以下にする事にはあまり向いていません。

【参考URL】
　超流動 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E6%B5%81%E5%8B%95

　尚、普通のヘリウムは原子核の中に陽子が２個、中性子が２個あるヘリウム４と呼ばれるものですが、ヘリウムの中には原子核の中に陽子が２個、中性子が１個あるヘリウム３と呼ばれるものもあります。
　ヘリウム３は超流動状態になる温度が、34気圧で2.6mK（ミリケルビン）、0気圧でおよそ1mKとヘリウム4と比べて非常に低いため、液体ヘリウム３を減圧する事で、0.3Ｋ程度の極低温を得る事が出来ます。
　又、超流動ヘリウム４と超流動状態ではない液体ヘリウム３は、水と油の様に、混ざり合わずに分離する性質があります。　超流動ヘリウム４の上を液体ヘリウム３が覆っている（塞いでいる）状態であれば、超流動ヘリウムの逃げ場はありませんから、超流動ヘリウム４を蒸発させて熱を奪わせる事で、貴重なヘリウム３の使用量を節約して低温を得る事が出来ます。

　この事を利用した希釈冷凍法という、0.005Ｋ程度まで冷却可能な方法が存在します。

【参考URL】
　超低温物理学への招待|希釈冷凍器
　　http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/invitation/cryo/dr.html

　更に温度を下げる場合には、常磁性物質に磁場をかけた状態で、他の方法で冷却して極低温した後で、磁場を無くす事で、磁場によって生じていたエントロピーの低さを、熱運動のエントロピーの低さに転換して、千分の1Ｋクラスの極低温を得る、断熱消磁法が使用されます。

【参考URL】
　断熱消磁 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E6%B6%88%E7%A3%81

　常磁性物質を用いた断熱消磁法は、電子のスピンによる磁気モーメントを利用した方法ですが、現在は銅などを用いて、原子核のスピンによる磁気モーメントを利用して、百万分の1Ｋクラスの極低温を得る、核断熱消磁法が使用されます。

【参考URL】
　超低温の世界 - 金沢大学 理学部
　　http://www.s.kanazawa-u.ac.jp/phys/physics_MC/ult_html/world.html

　超低温物理学への招待|核断熱消磁冷凍法
　　http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/invitation/cryo/demag.html

　又、特殊な冷却方法として、少数の気体状の原子しか冷却する事が出来ませんが、レーザー冷却法があります。
　高真空状態に保った容器の中に、冷却対象の物質を極少量だけ気体にして入れ、冷却対象の原子が吸収し易い波長よりも僅かに長い波長のレーザーを、前後左右上下から当てると、ドップラー効果により、レーザーの光源に近づいて行く原子のみがレーザーを吸収する確率が高まり、レーザーを吸収した原子は、光の圧力で原子の移動している方向とは逆向きの力を受けて、運動速度が遅くなります。
　熱エネルギーとは原子や分子の運動エネルギーの事ですから、原子の運動が遅くなるという事は、熱が失われて温度が下がるという事です。
　レーザー冷却法で得られる低温は、百万分の1Ｋでです。

【参考URL】
　レーザー冷却 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC%E5%86%B7%E5%8D%B4

tance · Answer

みなさんの回答のとおりですが、ついでに下記もご覧ください。

http://www.nmij.jp/public/report/bulletin/BOM/Vol4/2/V4N2P99.pdf

naniwacchi · Answer

こんばんわ。

「断熱消磁」という方法でより低い温度を得ることができます。
熱力学・統計力学の考え方を用いています。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E6%B6%88%E7%A3%81

foobar · Answer

4.2Kより下げるには、排気ポンプで液体ヘリウム槽を減圧して温度を下げたりします。

液体ヘリウムよりも低い温度にするためにはどうしますか？

みなさんの回答のとおりですが、ついでに下記もご覧ください。

高山等の気圧の低い所では、水が100℃以下で沸騰するのと同様に、液体ヘリウムを入れた密閉容器に真空ポンプを繋いで、容器内部を減圧すると、液体ヘリウムが4.2Ｋ以下で沸騰して、更に温度が下がります。

こんばんわ。

4.2Kより下げるには、排気ポンプで液体ヘリウム槽を減圧して温度を下げたりします。

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