KÜRTI MIKLÓS A CLARENDON LABORATÓRIUMBAN

R. A. Cowley
Clarendon Laboratórium, Oxford

Kürti Miklós 1933 szeptemberében érkezett Oxfordba, két évvel azután, hogy a berlini egyetemen doktorált. F. A. Lindemannt (a későbbi lord Cherwellt) 1919-ben választották meg a Lee Kísérleti Filozófiai Katedrára, ő lett a Clarendon Laboratórium igazgatója is. A tanszék előző vezetője a kutatást csak a szellemi nyugtalanság megnyilvánulásának tartotta, és nem nagyon támogatta. Magatartásának eredményeképpen Oxfordban megszűntek a fizikai kutatások, míg Cambridge-ben, Maxwell, Rayleigh és J. J. Thomson irányításával, virágoztak. Lindemann ezután hozzálátott, hogy a Clarendon Laboratóriumot kiemelje a mélypontból, ezért az oktatási és kutatási munkához kiváló fiatal fizikusokat hozott Oxfordba.

Lindemann Berlinben Nernst mellett dolgozott, a kondenzált anyagok alacsony hőmérsékleti viselkedésével kapcsolatos kutatásaival jó hírnevet szerzett. Francis Simon először Berlinben, majd Breslauban (Wroclaw) hozott létre egy alacsonyhőmérsékletekkel foglalkozó kutató csoportot. 1933-ban Hitler hatalomra jutása után Simon családja, valamint kutatómunkája érdekében el akarta hagyni Németországot, és engedett Lindemann rábeszélésének, hogy ő és néhány munkatársa: Kürti, H. London és K. Mendelelsson, jöjjenek át Oxfordba. Az egyetem nem tudott anyagilag hozzájárulni a kutatásokhoz, ezért Lindemann - nagyon modern módon gondolkozva - megnyerte az ICI kémiai nagyvállalatot csoportja oxfordi kutatási munkájának támogatására. Erre a célra a régi Clarendon Laboratórium két szobájában kaptak helyet.

1933-ban nehéz volt alacsony hőmérsékleti kísérleteket végezni, mivel nagyon kevés laboratórium rendelkezett folyékony hidrogén vagy folyékony hélium előállításához szükséges berendezéssel és tapasztalattal. Simon csoportja jártas volt ebben a technikában, nemrégiben fejlesztettek ki egy expanziós módszert folyékony hélium nagy mennyiségben történő előállítására. Az egyik új cseppfolyósítót magukkal hozták Oxfordba. Ebben az időben nem igen tudtak 1 K alatti kísérleteket végezni, mert ez volt a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyet folyékony hélium szivattyúzásával el tudtak érni. (³He-ot csak az atomreaktorokban történt előállítás után, 1945-ben lehetett kapni.) Debye már 1926-ban javasolta alacsonyabb hőmérsékletek előállítására a mágneses hűtést, de ezt 1933-ban még nem alkalmazták.

Simon csoportja Oxfordban több alacsony hőmérsékleti kutatási feladaton kezdett dolgozni; ezek között volt az a mágneses hűtési módszer, amellyel Kürti 1 K alatti hőmérsékletet akart elérni. A módszer azon alapszik, hogy erős mágneses térben egy paramágneses sót hűtenek le alacsony hőmérsékletre (fakszimile). A sóban az elektronok mágneses nyomatéka a mágneses tér irányában rendeződik, ezután kikapcsoljuk a mágneses teret, a sót pedig termikusan izolálják. A mágneses momentumok újra rendezetlen állapotba jutnak, ami entrópiát igényel. Az ehhez szükséges hőt a kristályrácstól vonja el. Ez okozza a kristály lehűlését, ahogyan remélték jóval 1 K alá.

A mágneses hűtés elvét egy gumiszalaggal demonstrálhatjuk. Nyomjuk a szalagot a homlokunkhoz, utána húzzuk meg amennyire csak tudjuk, és nyomjuk újra homlokunkhoz: érezni fogjuk, hogy a szalag melegebb lett. Akár mágnessel, akár gumival végezzük el a hűtési kísérletet, körülbelül 30 percet várjunk, amíg beáll a termikus egyensúly. Ezután eresszük lazára a szalagot, újra tegyük a homlokunkhoz: azt tapasztaljuk, hogy hőmérséklete alacsonyabb, mint amikor meg volt feszítve. A kísérletben a hosszú gumimolekulák játsszák azt a szerepet, amit a mágnességben az elemi mágneses nyomatékok - amikor a gumi megfeszül, akkor a mozgás rendezett, lazára engedve statisztikusan rendezetlenné válik.

Említettük, hogy a mágneses hűtéshez erős mágneses tér szükséges. Oxfordban nem volt megfelelő mágnes, ezért a Francia Tudományos Akadémia párizsi Laboratoire du Grand Electroaimant (Nagy Elektromágnes Laboratórium) vasmagos berendezését használták, amellyel 3 T nagyságú teret lehetett létrehozni. A felszerelésüket a hélium-cseppfolyósítóval együtt Párizsba vitték, ahol körülbelül egy hónapig dolgoztak.

Az 1934-ben végzett első mágneses hűtési kísérlet során azt tapasztalták, hogy a kadmium 0,6 K alatt szupravezetővé válik, ezt az észlelést követte egy alacsonyhőmérsékleti skála felállítása, és szilárdanyagok, valamint a folyékony hélium 1 K alatt mutatott tulajdonságainak tanulmányozása. Világossá vált, hogy a továbblépéshez szükségük lesz Oxfordban is egy nagy mágnes üzembe helyezésére. 1936-ban F. Bitter, az MIT kutatója kimutatta, hogy a legnagyobb térerősséget nem vasmaggal, hanem tekercsen átfolyó nagyon nagy áramerősséggel lehet előállítani. A szükséges nagy teljesítményű motorgenerátor beszerzéséhez az Angol Akadémiától (Royal Society) 1250 font támogatást kaptak. A 2 MW-os berendezést, amelyet 25 éven át utcai világításhoz használtak, 1000 fontos áron a Manchester Corporationtól tudták volna megkapni 1939-ben, azonban mielőtt a generátort leszállították, elkezdődött a második világháború, és az egészet későbbre halasztották.

Fig. 17 Schematic representation of the magnetic-cooling me

A Clarendon Laboratóriumban a második világháború kitörése után leállították az alapkutatásokat. A született brit kutatók a laboratórium titkos részlegében a radar kifejlesztését végezték. A Közép-Európából érkezetteket gyanakvással nézték, ők csak nemtitkos feladatokon dolgozhattak. Ezért fordult elő, hogy Simon és Kürti 1940-ben a még nem titkosított atombomba-programhoz kezdtek hozzá. Paradoxnak tűnik, de a brit atombomba készítését emigráns külföldi tudósok kezdték el. Kürti az elkövetkező hat évben a gázdiffúziós izotópelválasztós problémáján dolgozott Oxfordban, illetve az USA-ban. Munkája során újtípusú mikropórusos szűrőt fejlesztett ki. Érdekes összehasonlítani a háborús Oxfordot Moszkvával. Moszkvában Landau és munkatársai lényegesen szűkösebb és veszélyesebb köriilmények között jelentős sikereket értek el mind elméleti, mind kísérleti téren a folyékony hélium és más anyagok alacsony hőmérsékleten való tanulmányozásában.

Kürti Miklós a világháború befejezése után állandó egyetemi állást kapott mint tanársegéd; a csoport pedig átköltözött a Clarendon Laboratórium új épületébe, a mai Lindemann Épületbe. Odavitték háború előtti felszerelésüket a héliumcseppfolyósítóval együtt, de nem volt olyan berendezésük, amellyel erős mágneses teret tudtak volna létrehozni. 1947-ben felvették a kapcsolatot a Manchester Corporationnal, és kiderült, hogy a motorgenerátor 1000 fontért még mindig kapható. Támogatók segítségével sikerült az új Laboratóriumot létrehozni; két kutatóhelyiséggel, és ott el tudták helyezni a generátort is. A berendezés teljesítménye 2 MW, az áramerősség 4500 A volt.

A következő lépés a nagy térerősséget adó szolenoid megépítése volt. A feladat azért bonyolult, mert a nagy áram miatt nagy mennyiségű hűtővizet kell áramoltatni, miközben jelentős mechanikai feszültségek keletkeztek, és a.legkisebb hiba is robbanást idézett elő. A mágnesért Martin Wood volt a felelős egészen a hatvanas évek közepéig, amikor megalapította sajátvállalatát "Oxford Instruments" néven. A csoport kidolgozta a mágneses technikát: készítettek lapos, tányéralakú tekercset, polihelix tekercset, és még számtalan olyan új eljárást dolgoztak ki, amellyel javították a mágneses tér minőségét. 1949-ben a motorgenerátor segítségével sikerült egy tekerccsel, 50 mm átmérőjű furatban 5 T térerősséget létrehozni.

Fig. 18 The four steps in nuclear cooling.

A mágneses sokkal való hűtésnek korlátokat szab a mágneses momentumok között lévő csatolás, ezért nem lehet 0,005 K alá menni. Kürti rájött, hogy kisebb mágneses momentumokra van szükség, amelyek csak ennél alacsonyabb hőfokon lépnek kölcsönhatásba. Kifejlesztette a nukleáris hűtést - fakszimile -, tudván, hogy az atommag mágneses momentumai mintegy 1000-szer kisebbek az elektronokéinál. A mágneses sót folyékony hélium felhasználásával 1 K-re hűtik, közben a mágneses tér rendezi a mágneses momentumokat. Lemágnesezés után az anyag körülbelül 0,01 K-re hűl le, és lehűti a magmágneses mintát, a rezet is. Az utóbbit 0,0l K-es mágneses térben tartják, majd termikusan elszigetelve kikapcsolják a teret, aminek következtében a réznek elvileg 10^-6 K-re kell lehűlnie.

A 0,01 K és 10^-6 K közötti különbség nem tűnik nagynak, de itt a hőmérsékleti skála szinte inverzbe fordul. A hőmérséklet négy nagyságrenddel való csökkentése ugyanolyan nehéz, mint ha valamit négy nagyságrenddel magasabb hőmérsékletre melegítenénk. A gyakorlati kivitelezés sok problémával járt, és az eljárás csak több évi finomítás után működött kifogástalanul. A Co tnagmágneses momentumainak 0,01 K-en való rendeződését már 1951-ben be tudták mutatni, de az első nukleáris kísérlet, amelyben a világon akkor elérhető legkisebb hőmérsékletét, 2 x 10^-6 K-t állították elő, csak 1956-ban sikerült.

Ezek a kísérletek nemzetközi hírnevet szereztek a Clarendon Laboratóriumnak, különösen Kürti Miklósnak. 1955-ben megkapta az Institute of Physics Holweck Érdemérmét, 1956-ban pedig az Angol Akadémia (Royal Society) tagjává választották. 1960 igen mozgalmas év volt: kinevezték az egyetem docensévé, a televízióban élő adásban közvetítették a nukleáris hűtési kísérletet, a laboratóriumában pedig meglátogatta Fülöp herceg, aki látni akarta a hűtőberendezést, és találkozni akart Kürti Miklóssal is.

Fizikai szempontból a nagyon alacsony hőmérséklet előállítását tartották a legfontosabb eredménynek, de Kürti és munkatársai a technikát arra is felhasználták, hogy tanulmányozzák az anyagok alacsonyhőmérsékleti viselkedését, új szupravezetőket fedeztek fel, kidolgozták polarizált nukleáris minták felhasználását és vizsgálták az általuk kibocsátott anizotróp gamma-sugárzást - hogy csak néhány eredményüket említsük meg.

Terjeszkedés

Az alacsony hőmérsékleti csoport sikereit az új technika kidolgozásának köszönhette, a technikai módszerek fejlődésével pedig sok új kísérletet tudtak végrehajtani. Az elért eredmények és a felkeltett érdeklődés lehetővé tette, hogy a Clarendon Laboratórium 1960-ban kiterjessze tevékenységét. A Mullard Company 25000 fontos, az egyetem és a kormány ugyanilyen nagyságú támogatásával új laboratóriumokat és irodahelyiségeket építettek. A Mullard Épületben hét új mágneses állomást hoztak létre, amelyet a 2 MW-os generátor táplált. Nagyon sok kísérletet készítettek elő, és várták, hogy a generátornál egymás után sorra kerüljenek A mágnesállomásokhoz olyan csatlakozási lehetőség volt, hogy a generátor teljes áramát hasznosítani tudták, és olyan hűtőrendszert építettek ki, amely másodpercenként 50 liter vizet adott. Mágneses hűtéssel, magorientációval, az elektron és a magmágneses nyomaték kölcsönhatásával folytattak kísérletet, tanulmányozták a szupravezetők, félvezetők és fémek tulajdonságait, az alkali-halogenidek rácshibáit és polaronjait. Kürti Miklós lett a Nagy Mágneses-tér Laboratórium igazgatója, csak időnként foglalkozott személyesen a kísérletekkel és azok elméleti értékelésével.

Kürtl Miklós érdeklődése - igazgatói munkája mellett - új területek felé is fordult. Tanulmányozta az elektromos energia termelésének és szállításának kérdéseit, erről írt cikkeket és tagja lett az Elektromos Energiaellátás Tudományos Tanácsának. A tudomány történetéről írt közleményeket, elsősorban olyanokat, amelyek az alacsonyhőmérsékleti fizikával, az erős mágneses terek előállításával foglalkoztak, megírta F. Simon R. Peierls, F. Lindemann és Helmholtz életrajzát is. Sok fontos, nemzeti bizottság, köztük a Royal Society és a Fizikai Intézet Tanácsának lett a tagja.

Kürti vüklős szerette a jó ételeket. érdekeke a Főzés fizika oldala, híressú vált az erről tartott nagyon érdekes előadásairól és bemutatóiról. Dolgozott az Európai Fizikai Társaság fejlesztése érdekében, első főszerkesztője volt a Europhysics Lettersnek.

Kürti Miklós 1967-ben az Oxfordi Egyetem professzora lett, 1975-ben nyugdíjba ment. Abban az időben, ha egy oxfordi professzor nyugdíjba ment, nem maradhatott az intézetében, ezért Kürti Miklós a Műszaki Intézetben kapott dolgozószobát. Továbbra is aktívan publikált, egészen 1998-ig levelezett az újságokkal. Majdnem mindennap ellátogatott a Clarendon Laboratóriumba beszélgetni és kávézni, vagy öröm volt számára amikor ott, néhány méterre a 2 MW-os generátortól, újból szobát kapott.

Kürti Miklós kerékpárján a Clarendon Laboratórium előtt.

A Clarendon Laboratórium ma is behatóan foglalkozik alacsonyhőmérsékleti kutatásokkal és nagy mágneses terekkel. Az alacsony hőmérsékletek előállításának technikája jelentősen megváltozott. A hélium-cseppfolyósító készü1ékek 1930-ban még kicsik és megbízhatatlanok voltak, mivel maguk készítették üvegből, a laboratóriumban. A bonyolult kísérletek sokszor nem sikerültek, sőt robbanások is bekövetkeztek.

A héliumot most majdnem Folyamatosan működő, kereskedelemben kapható cseppfolyósítóval állítják elő; ez hozzátartozik a laboratórium szabványos szolgáltatásaihoz. A héliumfogyasztás két nagyságrenddel nagyobb, mint 1950-ben volt. A laborban csak néhány kriosztátot csinálnak, a legtöbbet a kereskedelemből, főleg Martin Wood cégétől, az Oxford Instrumentstől szerzik be. A 0,001 K eléréséhez nem paramágneses só mágneses lehűtését, hanem hélium-keveréses hűtőberendezést használnak. Előnye, hogy folyamatos üzemben működik, és a mintákat hosszabb ideig tudják alacsony hőmérsékleten tartani. H. London fejlesztette ki ezt a módszert. A laboratóriumban jelenleg öt ilyen, az Oxford Instrumentstől beszerzett hűtőberendezés működik.

A laboratóriumban ma is sok vizsgálati minta készü1 a legalacsonyabb hőmérsékleteken, erre a célra nem magmágneses hűtést, hanem fénynyalábot alkalmaznak, amellyel a hideg atomokat "csapdába ejtik". A csapdákkal 10^-9 K-t lehet elérni, ezen a hőmérsékleten például be lehet mutatni híg cézium gáz szuperfolyékonyságát.

A nagy mágneses teret is másképpen hozzák létre. A leghomogénebb tér előállításához ma is motorgenerátort használnak, de mivel lényegesen nagyobb teljesítményre van szükség, a költségeket az egyetemi laboratórium már nem tudja fedezni. Nagyobb térerősségre van szükség, mint ami a 2 MW-os készülékkel elérhető, ezt könnyen létre tudják hozni szupravezető mágnesek alkalmazásával. A laboratóriumban sok 10 T-nál nagyobb térerősséget adó szupravezető mágnes működik.

A technika változása, a modern egészségügyi és biztonsági elbírások miatt az 1919-ben tervezett berendezéseket - a generátorral együtt - 1990-ben üzemen kívül kellett helyezni. Kürti Miklós és én nagyon szomorúak voltunk, amikor a mágnest elvitték és helyette olyan berendezést hoztak a Simon épületbe, amely impulzusüzemben - igaz csak néhány milliszekundum időtartamra - több mint 70 T nagyságú mágneses teret képes előállítani.

Kitűnik ebből, hogy a Kürti Miklós által elindított munka a technika jelentős megváltozása ellenére él és fejlődik. Lindemann egy alacsonyhőmérsékleti laboratóriumot akart létrehozni. Kürti Miklós túlszárnyalta Lindemann reményeit, a Kürti által elkezdett munka ma is folytatódik.

Kürti Miklósnak nem egyetlen érdeme, hogy a Clarendon Laboratóriumban sikeres kutatócsoportot hozott létre. Erős jellemű ember volt, széleskörű volt az érdeklődése, és nagyon tudta élvezni az életet. Hallgatók nemzedékei profitáltak a vele való találkozásból, megtanított bennünket arra, hogy milyen érdekes, mennyire örömteli az élet és benne a fizika művelése. A kép Kürti Miklóst ábrázolja - úgy ahogyan emlékezetünkben megmaradt: a Clarendon Laboratórium előtt kerékpárján ülve, méltóságot és a megelégedettséget sugározva.

____________________________