KÜRTI MIKLÓS VILÁGCSÚCSA

A legnagyobb magyar az alacsony hőmérsékletek fizikájában

Kirschner István
ELTE Fizikus Tanszékcsoport

Korai kísérleteivel sokáig ő tartotta az alacsony hőmérsékleti világrekordot. Az Oxfordban végrehajtott kísérletek során Simon és Spohr voltak segítségére.1956-ban az úgynevezett atommag lemágnesezés módszerével 1,210^-5 K majd 1957-ben ő és Hobden 210^-6 K hőmérsékletet ért el. A mélyhőmérsékletek témakörében felmutatott eredményeit jutalmazták London-díjjal, amely az alacsony hőmérsékleti jelenségek kutatóinak legmagasabb elismerése. (A díjat természetesen nem Nagy-Britannia "ködös" fővárosáról nevezték el, hanem a London-testvérekről, akik a szupravezetés fundamentális elektrodinamikai elméletét megalkották.)

Világcsúcstartóként sokáig szerepelt a rekordok Guinness-könyvében. A mélyhőmérsékletek és a mágnesség terén kifejtett kiemelkedő kutatásaiért érdemelte ki, hogy a britek tudományos akadémiájának szerepét betöltő Royal Society tagjává választották.

Aki azonban azt hiszi, hogy Kürti Miklós egy, a világtól elzárkózó szemléletű szobatudós, az nagyon téved. Őt nem csak a tudomány nagy kérdései, hanem a kutatás feltételeinek hétköznapi problémái, a fiatal kutatók kibontakozási lehetőségei, a kutatás társadalmi háttere és haszna is élénken foglalkoztatják. Amikor Európa vezető fizikusai őt látták legméltóbbnak egy új és nevében is európai fizikai folyóirat, az Europhysics Letters irányítására, a tudományos közösség iránti fogékonysága miatt vállalta el ezt a nehéz posztot és végezte e munkáját is sikeresen. (Talán nem véletlen, hanem az alacsony hőmérsékleti kutatás európai megbecsülésének jele, hogy tőle egy német alacsony hőmérséklet kutató vette át e szerepet.)

Kürti Miklós sokoldalúságát mi sem példázza jobban, mint amikor ő a "fizikus a konyhában". (Sok évvel ezelőtt sokat gondolkoztunk e tevékenysége frappáns címén, de azt hiszem, végül sikerült ráhibázni a lényegre.) Az ő fizikusa a konyhában mindenkit meggyőz arról, hogy a fizika nem csak egy nehezen érthető, egzakt tudomány, hanem minden ember hétköznapjainak elválaszthatatlan része. Nevét nem csak alkotó tudósként, hanem a konyha kiváló fizikusaként is ismerik mindenfelé. Népszerűségi indexét a "fizikus a konyhában" témájú előadásai és bemutatói szerte Európában magasra emelték, és ugyanakkor a fizikát is népszerűsítették.

Kürti Miklóstól megtanultuk a termodinamikai szemléletmód fontosságát a fizika egyes területein belül. Ha így nézzük az egyre alacsonyabb hőmérsékletek elérésének módszereit, közöttük a közös vonás könnyen megtalálható. Ennek lényege az, hogy első lépésként az adott munkaanyagot valamilyen külső kényszernek vetjük alá, ügyelve arra, hogy egy megadott kezdeti követelmény teljesüljön. Majd ezt a külső kényszert (nagyrészt) feloldjuk egy újabb feltétel teljesítése közben és így jelentős hőmérséklet-csökkenést érhetünk el. Ha a legjelentősebb és leghatásosabb hűtési módszereket említjük, az említett közös vonás mindegyiknél jól szemléltethető. A fizikai folyamatot mindegyik esetben az jellemzi, hogy először a munkaanyag entrópiáját kell lecsökkenteni lehetőleg izoterm módon, majd ezt egy adiabatikus (izentropikus) állapotváltozás kell, hogy kövesse, amely lényeges hőmérséklet-csökkenéssel jár együtt. A három legfontosabb eljárásnak a gázcseppfolyósítást, az adiabatikus lemágnesezést és az atommagok mágneses hűtését lehet tekinteni. Nyilvánvaló, hogy az elsőnél a munkaanyag valamilyen gáz, a külső kényszer a nyomás, amivel a hűtést és végül a cseppfolyósítást szeretnénk eléri. A második és harmadik módszernél a kívülről szabályozható intenzív paraméter a mágneses tér, ami az adiabatikus mágneses hűtésnél az elektronspineket, a maghűtésnél pedig az atommagokat orientálja. A hűtés első lépésénél mindhárom esetben el kell távolítani a kényszer során felszabaduló energiát, hogy az izoterm körülményeket biztosíthassuk, a második lépésnél pedig a munkaanyagot el kell szigetelni a környezetétől, hogy az adiabatikus állapotváltozás létrejöhessen. Ez utóbbi feladatra kiválóan alkalmasak az úgy nevezett szupravezető hőszelepek, amelyek azon alapulnak, hogy az elektromosan szupravezető állapothoz gyenge hővezető-képesség tartozik, továbbá a kritikus hőmérséklet alatt a szupravezető-normál átmenetet az alkalmazott mágneses térerősséggel vezérelhetjük.

Ezen eljárásokat ciklikusan alkalmazva, az elért alacsony hőmérsékletek folyamatosan fenntarthatók és a különböző fizikai kísérletekhez megfelelő kiinduló helyzetet teremthetnek. A gázcseppfolyósítás a folyékony hélium alkalmazásával és a folyadék feletti pára elszivattyúzásával gyakorlatilag az 1-300 K hőmérséklet-tartomány átfogására alkalmas. Az adiabatikus lemágnesezés a vizsgálatokra alkalmas hőmérséklet-tartományt 10^-2-10^-3 K-ig tágítja ki. Maghűtés segítségével pedig a 10^-5-l0^-6 K intervallum is jól kihasználhatóvá válik makroszkopikus kísérletek számára. Ezek az adatok természetesen nem a hőmérsékleti rekordokat, hanem a tényleges, kicsi, bár véges energiakibocsátással járó fizikai kutatások számára hasznos intervallumokat jellemzik.

Azt, hogy önmagában egy adott pillanatban mi az élő és fizikailag létező alacsony hőmérsékleti rekordérték, nehéz eldönteni. Ennek részben az előállítás komplikált volta, a mérés hibája és a hozzárendelhető fizikai effektus egyértelműségének követelménye az oka. Mindezt figyelembe véve talán azt lehet mondani, hogy az "egymással vetélkedő" csoportok közül Lounasmaa professzor helsinki és Pobell professzor jülichi laboratóriumának a ~10 nK tartományba eső eredményei tekinthetők a legmeggyőzőbbeknek és a leginkább megismételhetőbbeknek. (A bonyolult kaszkádeljárás és hőmérséklet-mérés részletei meghaladják e kis tisztelgő, születésnapi megemlékezés kereteit.)

A nagyon alacsony hőmérsékletek létrehozása néhány nagyon fontos elvi problémát vet fel.

1. Amint ismeretes, az alsó hőmérsékleti elvi határ létezését a termodinamika kétféle formában is megfogalmazza. Gyengébb változata szerint az entrópiaváltozás bármely izoterm folyamatnál zérushoz közeledik, ha a hőmérséklet, amelynél a folyamat lezajlik nullához tart. Eszerint az abszolút nulla foknál állapotváltozás nem jöhet létre. Tehát, ha az abszolút nulla fok közvetlen (infinitezimális) közelében létezik egy állapot, az nem változhat meg.
   Az erősebb változat ennél is többet mond, hiszen magának az entrópiának a zérushoz tartozását köti ki az előbb említett feltételek mellett. Ebből az következik, hogy az abszolút nulla foknál a fizikai rendszereknek semmiféle állapota nem jöhet létre. Ennek természetesen a megfordítottja is igaz: mivel entrópia nélküli fizikai rendszerek nincsenek, az abszolút nulla fok a reális objektumok számára nem létezik, azaz kizárt. Ezt úgy is meg lehet fogalmazni, hogy valóságos fizikai kísérletekkel az abszolút nulla fok soha el nem érhető.
2. A fizika története viszont azt bizonyítja, hogy a kutatási módszerek fejlődésével egyre jobban megközelíthető. És éppen itt jön a képbe a következő probléma, amelyet talán "egymással együttélő" hőmérsékleteknek nevezhetnénk. Mit kell ezek alatt érteni? E fogalom azt jelenti, hogy a mágneses hűtési eljárások alkalmazása során, egymáshoz nagyon közeli, "atomi méretű terekben" három, egymástól nagyságrendekkel különböző hőmérsékleti érték létezhet azonos időpontban. Eszerint a cseppfolyósított gázzal előhűtött kristályrácsok (vagy, ha úgy tetszik az azt alkotó atomok, ionok) 1 K hőmérsékleten, az adiabatikus lemágnesezésben résztvevő elektronfelhő 10^-2 vagy 10^-3 K hőmérsékleten, a maghűtésben aktív atommagok pedig 10^-5-10^-6 K hőmérsékleten vannak.
   Mivel azonban ezek a médiumok nem szigetelhetők el egymástól, a hűtési folyamat alatt, illetve az azt megtoldó kísérletek során egyensúlyi állapotról nem lehet beszélni. A létrejövő állapotok termodinamikailag az egész komplex rendszerben mindvégig nem-egyensúlyiak és a különböző hőmérsékletek kiegyenlítődését a folyamatban résztvevő közegek közötti kölcsönhatás illetve relaxációs idő határozza meg.
3. Jól tudjuk, hogy a fizikában csak olyan törvényekről, vagy skálákról van értelme beszélni, amelyekhez valamilyen konkrét jelenség, kísérletileg előállítható vagy érzékelhető effektus, illetve objektív módon értelmezhető történés rendelhető. Ilyen szempontból a mK-es és az alatti hőmérsékleti tartomány kutatása szerencsésnek mondható, hiszen a ³He szuperfolyékonysága, a hidrogén anomális viselkedése, a magorientációs jelenségek, optikai és mágneses rendeződések kialakulása elegendő fogódzót szolgáltatnak ahhoz, hogy az abszolút nulla fok közvetlen környezetét a fizika számára "testközelbe" hozzák.