ఎంతెంత చల్లన?

విశ్వంలో అతి చల్లటి చోటు ఎక్కడుందంటే అంతరిక్షంలో అని చెబుతారు. కానీ చాలా విశ్వవిద్యాలయాల్లోని భౌతికశాస్త్ర విభాగాల్లో ఉందంటే నమ్ముతారా? కొన్ని దశాబ్దాలుగా పరిశోధకులు వీలైనంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు.. పరమశూన్య ఉష్ణోగ్రతకు చేరుకోవటానికి ప్రయత్నిస్తున్నారు. ఈ క్రమంలో పదార్థం పైకి ప్రవహించే స్థితి దగ్గర్నుంచి రసాయనిక ప్రతి చర్యలను కాసేపు ఆపేయటం వరకూ ఎన్నెన్నో విచిత్ర విషయాలూ వెలుగు చూస్తున్నాయి. చల్లదనాన్ని జయించాలనే ప్రయత్నం ఇప్పుడు క్వాంటమ్‌ ఫ్రిజ్‌ రూపకల్పన దశకూ చేరుకుంది.

చల్లదనం అంటే ఏంటనే ప్రశ్న వేలాది ఏళ్లుగా మనిషి మెదడును తొలుస్తూనే ఉంది. గ్రీకు తత్వవేత్త పార్మెనెడీస్‌ క్రీస్తు పూర్వం 450లో దీన్ని ఫ్రిజిడమ్‌ ప్రీమంగా భావించారు. వీలైనంతవరకు చల్లబడే ఈ ఊహాత్మక పదార్థం ఇతర వస్తువులనూ చల్లబడేలా చేస్తుంది. రాబర్ట్‌ బోయేల్‌ అనే రసాయన శాస్త్రవేత్త 1664లో గాలి, నీరు వంటి వాటిని విస్తృతంగా అధ్యయనం చేసి ఈ వివరణ సమర్థనీయం కాదని ప్రకటించారు. వేడి, చల్లదనం రెండూ వేర్వేరని.. ఇవి రసాయనికంగా లేదా ప్రాణుల ద్వారా పుట్టుకొస్తాయని బోయేల్‌, ఆయన అనుయాయులు విశ్వసించారు. వేడి, చల్లదనం వస్తువు సాపేక్ష ధర్మాలని, ఇవి దానిలోని అణువులు కదిలే వేగాన్ని బట్టి ఆధారపడి ఉంటాయని ఇప్పుడు గుర్తించగలిగాం. అణువులు తక్కువ శక్తి కలిగి, నెమ్మదిగా కదిలే స్థితిలో కన్నా ఎక్కువ శక్తిని కలిగి, వేగంగా కదిలే స్థితిలో వస్తువు వేడిగా ఉంటుంది.

పరిమితిని బట్టి 

ఏదైనా ఎంతవరకు చల్లబడొచ్చనేది దాని ప్రాథమిక పరిమితి మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. లార్డ్‌ కెల్విన్‌ 1848లో పరమ శూన్య భావనను పరిచయం చేశారు. ఈ స్థితిలో అణువుల కదలిక పూర్తిగా ఆగిపోతుంది. అందువల్ల ఇంతకన్నా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు చేరుకోవటం సాధ్యం కాదు. అనేక ప్రయోగాల తర్వాత మైనస్‌ 273 డిగ్రీల సెంటీగ్రేడ్‌ ఉష్ణోగ్రతను పరమ శూన్య స్థితిగా కెల్విన్‌ లెక్కించారు. వస్తువులపై శక్తిని ప్రయోగిస్తే తప్ప వేడి నిరంతరం చల్లదనం వైపు ప్రవహిస్తుందనీ గుర్తించారు. ఫ్రిజ్‌లు ఈ సూత్రం మీదే పనిచేస్తాయి. ఇవి శక్తిని వాడుకొని వస్తువులను చల్లబరుస్తాయి. అధునాతన ఫ్రిజ్‌లు గరిష్ఠంగా మైనస్‌ 80 డిగ్రీల సెంటీగ్రేడ్‌ వరకు చల్లబరచగలవు. హీలియం వాయువును ఒత్తిడికి గురిచేసి నాజిల్‌ ద్వారా వేగంగా పంపించటం ద్వారా మైనస్‌ 269 డిగ్రీల సెంటీగ్రేడ్‌ ఉష్ణోగ్రతతో కూడిన ద్రవ హీలియాన్ని సృష్టించొచ్చు. ఇది పరమశూన్య ఉష్ణోగ్రత కన్నా కేవలం 4 డిగ్రీలే తక్కువ. ఇంతకన్నా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతను సాధించటానికి 1990లో లేజర్‌తోనూ ప్రయత్నాలు చేశారు. శూన్య ఛాంబర్‌లో కదిలే అణువులను లేజర్‌తో ఢీకొట్టి వాటి వేగాన్ని దాదాపు పూర్తిగా తగ్గించగలిగారు. పరమశూన్య ఉష్ణోగ్రతను దాదాపు సాధించగలిగారు. అణువుల వేగాన్ని తగ్గించటమే కాదు, వేడిగా ఉన్న అణువులను లేజర్‌తో దూరంగా వెళ్లగొట్టే పరిశోధన కూడా జరిగింది. దీంతో పరమశూన్య ఉష్ణోగ్రతకు మరింత దగ్గరికి చేరుకున్నారు. ఈ రెండు పరిశోధనలకూ నోబెల్‌ బహుమతులు లభించాయి. ఇవన్నీ క్వాంటమ్‌ ఫ్రిజ్‌ ప్రపంచానికి దారులు తెరచాయి.

చిత్ర విచిత్రం

కెటెరెల్‌, ఆయన బృందం 1995లో పదార్థం కొత్త స్థితిని గుర్తించింది. దీన్ని ఆల్బర్ట్‌ ఐన్‌స్టీన్‌ 70 ఏళ్ల క్రితమే ఊహించారు. కాకపోతే ఎన్నడూ పరిశీలించలేదు. వస్తువును చల్లబరచినప్పుడు అది గడ్డ కడుతుందనే అనుకుంటాం. కానీ లక్షలాది అతి చల్లటి అణువులు సారూప్య క్వాంటమ్‌ పదార్థంగా ప్రవర్తిస్తాయి. దీన్నే బోస్‌-ఐన్‌స్టీన్‌ కండెన్సేట్‌ అని పిలుచుకుంటున్నారు. ఈ అణువులు తమ గుర్తింపును కోల్పోతాయి. విచిత్రమైన ద్రవంగా మారతాయి. కొన్నిసార్లు పైకీ ప్రవహిస్తాయి. అప్పట్నుంచీ అతి శీతల రంగంలో కొత్త పద్ధతులు పుట్టుకురావటం మొదలైంది. ఇప్పుడు శాస్త్రవేత్తలు అణువులను పూర్తిగా నిశ్చల స్థితికి తీసుకురాగలుగుతున్నారు కూడా. వీటిని ఇటుకల మాదిరిగా అవసరమైనట్టుగా జోడించగలుగుతున్నారు. పదార్థాల అంతర్గత నిర్మాణం వాటి గుణాలను నిర్దేశిస్తుందనే ఊహా సిద్ధాంతాన్ని తేలికగా పరీక్షించటానికిది మార్గం సుగమం చేసింది. కొన్నిరకాల సూపర్‌కండక్టర్లలో అణువుల క్వాంటమ్‌ ధర్మం కీలక పాత్ర పోషిస్తుందనే విషయాన్ని గుర్తించటానికి వీలు కల్పించింది. రసాయన శాస్త్రంలోనూ గుణాత్మక మార్పులు వచ్చాయి. లేజర్‌ కూలింగ్‌తో రసాయనిక ప్రతిచర్యలు అనుకున్నట్టుగా, నెమ్మదిగా జరిగేలా చేయొచ్చనీ తేలింది. దీంతో అణువులు ఎలా సంయోగం చెందుతాయో, ఎలా విడిపోతాయో స్పష్టంగా చూడటం సాధ్యమైంది. హార్వర్డ్‌ యూనివర్సిటీ పరిశోధకులు 2019లో పొటాషియం, రుబిడియమ్‌ అణువులను 500 నానాకెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరచి ప్రతిచర్యకు ప్రేరేపించారు. అనంతరం లేజర్‌తో ప్రతిచర్యలను సగంలోనే ఆపేయగలిగారు. ఈ క్రమంలో గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎన్నడూ చూడని మధ్యవర్తి అణువును గుర్తించగలిగారు. ఇంకాస్త లేజర్‌ కాంతిని ప్రసరింపజేసి ఆ గడ్డకట్టిన స్థితిని మార్చేసి, మిగతా ప్రతిచర్యను కొనసాగించారు.

శీతలం నుంచి వేడికి

క్వాంటమ్‌ అనేది విచిత్రమైన ప్రపంచం. ఇందులో అణువులు కొన్నిసార్లు ఒకే సమయంలో రెండు చోట్ల ఉనికిలో ఉంటాయి. ఇవి చాలా దూరంలో ఉన్నప్పటికీ ఒకదానిపై మరోటి తక్షణం ప్రభావం చూపుతాయి. అయితే ఈ క్వాంటమ్‌ ప్రవర్తనలు చుట్టుపక్కల అణు కంపనాల వంటి బయటి ప్రభావాలతో మారిపోతాయి. నిజానికి క్వాంటమ్‌ ఫ్రిజ్‌ అంటే మన వంటింట్లోని ఫ్రిజ్‌ మాదిరిగా ఏమీ ఉండదు. ఇందులో పాల వంటివేవీ పెట్టుకోలేం. ఇందులో ఒకదానిలోంచి మరో దానిలోకి వేడి ప్రసారమయ్యేలా అతి చిన్న క్వాంటమ్‌ వస్తువులను అమరుస్తారు. లేజర్‌తో చల్లబరిచిన టెర్బియం అణువులతో సింగపూర్‌లోని నేషనల్‌ యూనివర్సిటీ పరిశోధకులు 2019లో ఓ క్వాంటమ్‌ ఫ్రిజ్‌ను రూపొందించారు. దీని ద్వారా పరిమితికి మించి అణువులను చల్లబరచొచ్చనీ నిరూపించారు. జర్మనీలోని యూనివర్సిటీ ఆఫ్‌ స్టట్‌గర్ట్‌ పరిశోధకులు క్వాంటమ్‌ కంప్యూటర్లలో క్వాంటమ్‌ బిట్స్‌గా ప్రవర్తించే అణువులతో క్వాంటమ్‌ ఫ్రిజ్‌ను రూపొందించారు. దీంతో వేడి వ్యతిరేక దిశలో ప్రవహించేలా చేశారు కూడా. అంటే చల్లటి ప్రదేశం నుంచి వేడిని గ్రహించేలా చేశారు. వేడి, చల్లటి ప్రాంతాల మధ్య ఉష్ణోగ్రత తేడా చాలా చాలా తక్కువైనప్పటికీ వ్యతిరేక దిశలో ఉష్ణం ప్రవహించటమనేది థర్మోడైనమిక్స్‌ సూత్రాలకు విరుద్ధమే.