Kernemagneter
En bestemt lille stump af metallet Rhodium har i nogen tid været det koldeste sted i Universet. Denne kulderekord er nået i forbindelse med et mangeårigt, målbevidst arbejde ledet af den finske fysiker O.V. Lounasmaa ved Helsinkis Tekniske Universitet. Arbejdets mål har været at trænge dybere ind i de magnetiske stoffers mysterium, ikke bare en ny kulderekord.
De sidste hundrede år har bidraget umådeligt til vores forståelse af faste materialers egenskaber: elektriske, magnetiske osv. En helt afgørende forudsætning for disse fremskridt har været mulighederne for at eksperimentere ved stadigt lavere temperaturer. Når man vil se meget fine detaljer, må man så vidt muligt reducere de forstyrrelser, som kommer af varmebevægelser.
Men der er en grænse: det absolutte nulpunkt.
Stille kulde
Eksistensen af et absolut nulpunkt for temperatur er noget af en gåde for de fleste mennesker. Men her må man gøre sig klart, at varme består af energien i uregelmæssige, tilfældige bevægelser på det atomare niveau.
Hvis man kunne bremse al varmebevægelsen i et materiale, ville temperaturen blive nul. Der bliver imidlertid altid lidt varmebevægelse tilbage, og det absolutte nulpunkt kan således aldrig nås fuldstændigt; jo nærmere man kommer, jo sværere bliver det. Det er derfor, vi kalder nulpunktet for absolut og måler temperatur fra dette udgangspunkt med enheden kelvin.
Den laveste temperatur i Universet uden for Jorden er 2,7 kelvin. Den findes i elektromagnetisk stråling i rummet mellem stjernerne, dvs. på den tilsyneladende mørke baggrund for stjernehimlen.
Vi mennesker befinder os bedst ved temperaturer omkring 293 kelvin (20 grader celsius). Den førnævnte menneskeskabte laveste temperatur i et stykke rhodium er 0,0000000001 kelvin (0,1 nanokelvin; nano betyder en milliardtedel). Celsiusskalaen er fastlagt således, at det absolutte nulpunkt præcis har temperaturen 273,15 grader celsius.
Der findes forskellige teorier for magnetiske vekselvirkninger, som kan omfatte både elektroner og atomkerner. I et metal som rhodium er kræfterne ekstremt svage, men samtidig særligt lette at overskue. Teorierne skulle dermed blive meget pålidelige. De forudsiger, at der skal opstå en særlig magnetisk ordning i rhodium, når det køles under en bestemt temperatur
Kernemagneter
Lige som i mange andre grundstoffer opfører atomkernerne i rhodium sig som små magneter. Magneterne er meget, meget svage, men det er netop nødvendigt for at nå den lave temperatur, vi taler om. Magneterne kan påvirke hinanden, og i nogle tilfælde ordner de sig i et regelmæssigt mønster (figur 1).
Ved ekstremt lave temperaturer er næsten alt gået i stå: Materialeegenskaberne ændrer sig kun ganske lidt ved ændringer i temperaturen. Så vidt vi ved, er magnetismen fra atomkernerne det sidste træk ved faste materialer, der viser temperaturafhængighed.
Ved opvarmning kan det ordnede mønster blive ødelagt, så fordelingen bliver mere tilfældig. Overgangen fra orden til uorden sker for hvert stof ved en bestemt overgangstemperatur (som om den magnetiske struktur smelter).
De svageste vekselvirkninger giver de laveste overgangstemperaturer. Den gensidige påvirkning mellem de små magneter bestemmer også, hvilket mønster ordningen får. I nogle stoffer peger alle magneterne samme vej. Det gælder f.eks. i jern, og derfor taler man om ferromagnetisme i disse tilfælde. Den viste struktur, hvor magneterne skiftevis peger op og ned, kaldes så antiferromagnetisk. Rhodium-eksperimenternes resultater tyder på en mere flydende form for ordning, hvor kun små områder ad gangen kan betragtes som ordnede. Det ville være en helt ny og interessant form for magnetisme.
Særligt interessant er, at tilstanden kunne være beslægtet med den superledende tilstand i de keramiske materialer, som bliver superledende ved høje temperaturer.
Pengene værd?
Det er rimeligt at spørge, om resultater som disse er anstrengelserne værd to til fire personers arbejde gennem ca. ni år foruden et laboratorium med en masse kostbart udstyr. Erfaringen viser imidlertid, at der næsten altid er gevinst ved at gå efter ekstreme betingelser afsøge nyt land, så at sige. I dette tilfælde har formålet været at få ny viden om magnetisme og dermed nå til en bedre forståelse af magneter i almindelighed. Men selv når man kender resultaterne, er det umuligt at forudse, hvilken udvikling der på længere sigt vil følge efter. I lavtemperaturteknik bygger de vigtigste anvendelser på opdagelser, der typisk er gjort et halvt århundrede før.
Lad os f.eks. se på en af de teknikker, der bruges på den svage magnetisme fra atomkernerne. Hver gang en kernemagnet skifter retning, springer den fra ét energiniveau til et andet. Energiforskellen udsendes eller opsuges som et kvantum af radiobølgeenergi, hvis frekvens afhænger af magnetfeltets styrke og kan beregnes ud fra Niels Bohrs atomteori fra 1913.
Der er en resonans ved denne frekvens, og teknikken hedder kernemagnetisk resonans. Den blev udviklet i 1950erne og er nu et vigtigt hjælpemiddel i industrilaboratorier til at analysere indviklede molekylers struktur. Den er også basis for hospitalernes MR-scannere, hvor man kan se ind i den menneskelige organisme og endda følge nogle af de processer, der foregår.
Netop MR-scanneren er et godt eksempel på et raffineret samspil mellem forskellige teknikker, der hver især er resultater af grundforskning og siden har været igennem en lang udvikling: Magnetisk Resonans-princippet, computerteknik og superledende magneter.
De superledende magneter køles med flydende helium (kogepunkt 4,2 kelvin), som første gang blev fremstillet i 1908 i en mængde af nogle få milliliter. Superledning blev opdaget 1911, men nyttige materialer blev først fundet i 1960erne.
Selv på denne historiske baggrund vil det være dristigt at forudsige betydningen om 50 eller 100 år af nutidens opdagelser i ekstreme kølemetoder.
*Kim Lefmann er seniorforsker ved Forskningscenter Risø. Finn Berg Rasmussen er lektor ved Niels Bohr Instituttet for Astronomi, Fysik og Geofysik, Københavns Universitet. Begge har deltaget i det omtalte rhodium-projekt. De har givet en beskrivelse af kølemetoderne i KVANT Fysisk Tidsskrift 7.årg. nr. 4 (1996).
