Jak prowadzić niezwykle czułe pomiary optyczne w temperaturze poniżej −268 stopni Celsjusza? Naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu opracowali eksperymentalną platformę, która pozwala wykorzystać spektroskopię wzmocnioną wnęką optyczną w warunkach głębokiej kriogeniki. Rozwiązanie otwiera nowe możliwości badań cząsteczek i precyzyjnych pomiarów fizycznych.
Prowadzenie precyzyjnych pomiarów optycznych wymaga stabilnych warunków eksperymentalnych. Schłodzenie układu do temperatury poniżej 5 kelwinów, czyli około −268,15°C, stanowi dodatkowe wyzwanie. Urządzenia chłodzące generują bowiem drgania mechaniczne i wahania temperatury, które mogą zakłócać wyniki pomiarów. Z tym problemem zmierzył się zespół prof. Piotra Wcisło z Instytutu Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, opracowując nowy układ do badań optycznych w głębokiej kriogenice.
Podstawą zaproponowanego przez nich rozwiązania jest spektroskopia wzmocniona wnęką optyczną. To niezwykle czuła technika wykorzystująca światło laserowe do badania właściwości cząsteczek. Wnęka optyczna, czyli układ, w którym światło wielokrotnie odbija się między zwierciadłami, pozwala zwiększyć efektywność oddziaływania światła z badaną substancją. Dzięki temu można uzyskiwać informacje o właściwościach cząsteczek nawet wtedy, gdy sygnał pomiarowy jest bardzo słaby.
Ta niezwykle czuła technika wykorzystuje światło laserowe do precyzyjnego badania właściwości cząsteczek. Wyzwaniem technologicznym było ograniczenie wpływu drgań mechanicznych i wahań temperatury generowanych przez chłodziarkę kriogeniczną – wyjaśnia mgr inż. Kamil Leon Sołtys, członek zespołu.
Przeniesienie tej metody z temperatury pokojowej do zakresu głębokiej kriogeniki wymagało opracowania konstrukcji zapewniającej jednocześnie skuteczne chłodzenie i stabilność aparatury optycznej.
Dwa metry od chłodziarki
Aby ograniczyć wpływ urządzenia chłodzącego na eksperyment, naukowcy umieścili komorę pomiarową w odległości około dwóch metrów od chłodziarki kriogenicznej. Oba elementy połączono masywnymi prętami oraz elastycznymi taśmami wykonanymi z wysokiej czystości miedzi.
Takie rozwiązanie pozwala efektywnie odprowadzać ciepło, a jednocześnie ograniczać wahania temperatury i tłumić drgania mechaniczne. Odpowiednie zaprojektowanie połączeń między chłodziarką a komorą eksperymentalną umożliwiło stworzenie stabilnych warunków niezbędnych do prowadzenia precyzyjnych pomiarów.
Opracowany układ pozwolił po raz pierwszy zastosować spektroskopię wzmocnioną wnęką optyczną w temperaturach poniżej 5 K. To ważny krok w rozwoju metod badawczych wymagających jednocześnie ekstremalnie niskiej temperatury i wysokiej stabilności pomiarowej.
Od elektrodynamiki kwantowej do badań wodoru
Jednym z nich był precyzyjny test elektrodynamiki kwantowej (QED) dla cząsteczek. Teoria ta opisuje oddziaływania światła z materią na poziomie kwantowym. Dokładne pomiary pozwalają sprawdzać jej przewidywania i porównywać je z wynikami eksperymentalnymi.
Układ umożliwił również realizację pierwotnych wzorców jednostek Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI) w zakresie temperatury, stężenia i ciśnienia w warunkach głębokiej kriogeniki. Wzorce pierwotne pozwalają odtwarzać jednostki na podstawie praw fizyki i odpowiednio zaprojektowanych pomiarów, bez konieczności odwoływania się do innego wzorca tej samej wielkości. Ich realizacja w ekstremalnie niskich temperaturach ma znaczenie dla rozwoju precyzyjnej metrologii, czyli nauki o pomiarach.
Kolejnym zastosowaniem były badania wodoru. Naukowcy zmierzyli jego diagram fazowy, opisujący warunki występowania poszczególnych stanów fizycznych, oraz wyznaczyli szybkość konwersji orto–para.
Wszystkie te eksperymenty wymagają precyzyjnych metod pomiarowych i stabilnych warunków pracy aparatury. Platforma opracowana przez toruński zespół zapewnia zaplecze technologiczne niezbędne do prowadzenia tego rodzaju badań.
Rozwiązanie umożliwiające prowadzenie nowych typów pomiarów optycznych w głębokiej kriogenice opisano na łamach czasopisma „Measurement”.
źródło: UMK