Heli lỏng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa heli lỏng

Heli lỏng là trạng thái lỏng của nguyên tố heli khi được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ sôi của nó tại áp suất khí quyển tiêu chuẩn, khoảng 4.22 K (−268.93 °C). Là một chất siêu lỏng không màu, không mùi và có mật độ cực thấp, heli lỏng có đặc tính vật lý đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ hiện đại.

Tính chất vật lý cơ bản

Heli tồn tại ở dạng lỏng dưới 5.2 K và được chia thành hai đồng vị: ⁴He và ³He. Trong đó, ⁴He là đồng vị phổ biến hơn và được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp.
Một số tính chất cơ bản của heli lỏng:

• Nhiệt độ sôi: 4.22 K (heli-4), 3.19 K (heli-3)
• Không rắn hóa ở áp suất khí quyển – cần áp suất cao để đóng băng
• Không nhớt ở pha siêu lỏng
• Khả năng dẫn nhiệt rất cao

Hiện tượng siêu lỏng

Khi được làm lạnh xuống dưới 2.17 K, heli-4 chuyển sang trạng thái gọi là siêu lỏng (superfluid), trong đó nó có thể chảy không ma sát qua các khe hở nhỏ và leo tường bình chứa. Đây là một trong những minh chứng thực nghiệm đầu tiên cho cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô.

Dạng siêu lỏng của heli có thể mô tả bằng lý thuyết Bose–Einstein ngưng tụ. Trong trạng thái này, toàn bộ các hạt boson chuyển sang cùng một trạng thái lượng tử nền.
$n_0 = N \left(1 - \left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}\right)$
Trong đó $n_0$ là số hạt ở trạng thái nền, $N$ là tổng số hạt, $T_c$ là nhiệt độ tới hạn.

Heli-3 và các đặc tính lượng tử độc đáo

Heli-3 là đồng vị hiếm của heli, có spin 1/2 và là fermion, khác biệt với heli-4 là boson. Heli-3 lỏng thể hiện hiện tượng siêu lỏng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (khoảng 2.5 mK), nơi các cặp Cooper hình thành tương tự như trong siêu dẫn.

Các pha siêu lỏng A và B của heli-3 là đối tượng nghiên cứu chuyên sâu trong vật lý vật chất ngưng tụ và lý thuyết trường lượng tử. Mỗi pha có cấu trúc đối xứng riêng biệt, được quan sát qua các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR).

Ứng dụng của heli lỏng trong khoa học và công nghệ

Heli lỏng được sử dụng chủ yếu như một môi trường làm lạnh cực sâu trong các hệ thống cần nhiệt độ siêu thấp, điển hình:

• Làm lạnh nam châm siêu dẫn trong máy MRI
• Làm mát từ trường trong các máy gia tốc hạt
• Làm lạnh máy đo cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
• Nghiên cứu vật lý lượng tử ở trạng thái vật chất ngưng tụ

Nguồn: NIST – Low Temperature Physics and Superfluidity of Helium

Quy trình hóa lỏng và bảo quản

Heli khí được hóa lỏng bằng chu trình Joule–Thomson kết hợp làm lạnh bước đầu bằng khí ni-tơ lỏng. Do nhiệt độ sôi cực thấp, việc bảo quản heli lỏng đòi hỏi bình Dewar cách nhiệt cao và môi trường chân không.

Bảng so sánh hệ số bay hơi:

Chất lỏng	Nhiệt độ sôi (K)	Nhiệt bay hơi riêng (J/g)
Heli	4.22	20.9
Ni-tơ	77	199
Hydro	20.3	446

Thách thức trong khai thác và tái sử dụng

Nguồn heli trong tự nhiên chủ yếu thu được từ khí thiên nhiên có hàm lượng heli cao. Heli là tài nguyên không tái tạo trong ngắn hạn, do bay lên tầng cao khí quyển và thoát ra không gian. Việc tái thu hồi và tái hóa lỏng heli lỏng sau sử dụng là rất quan trọng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm.

Các hệ thống tái hóa lỏng heli giúp giảm chi phí vận hành và phụ thuộc nguồn cung. Một số quốc gia như Mỹ, Nga, Qatar là nguồn cung cấp heli chính trên thế giới.
Tham khảo thêm: U.S. Department of Energy – Fast Facts About Helium

Vai trò trong nghiên cứu cơ bản và vũ trụ học

Heli lỏng, đặc biệt là heli-3, được sử dụng trong các thí nghiệm kiểm tra lý thuyết hấp dẫn lượng tử, đo dao động tinh tế trong vật chất ở trạng thái ngưng tụ và làm nền cho các hệ lượng tử mô phỏng. Trong thiên văn học, heli-3 cũng là một chất tiềm năng cho phản ứng nhiệt hạch sạch.

Các trạm quan sát không gian như Planck Satellite sử dụng heli lỏng để làm mát thiết bị đo lường vi sóng và tia hồng ngoại đến gần độ không tuyệt đối, nhằm loại bỏ nhiễu nền nhiệt vũ trụ.

Xu hướng thay thế và tương lai của heli lỏng

Do chi phí và tính khan hiếm, nhiều nỗ lực đang được triển khai nhằm thay thế hoặc tiết kiệm heli lỏng:

• Hệ thống MRI không dùng heli (dry magnet)
• Vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao giảm phụ thuộc heli
• Cải tiến bình Dewar và tái chế khí
• Phát triển chu trình làm lạnh bằng helium-3/4 hỗn hợp hiệu suất cao

Tài liệu tham khảo

1. National Institute of Standards and Technology (NIST)
2. U.S. Department of Energy – Helium Facts
3. Tilley, D.R., & Tilley, J. (1990). *Superfluidity and Superconductivity*. Institute of Physics Publishing.
4. Leggett, A. J. (2006). *Quantum Liquids: Bose Condensation and Cooper Pairing in Condensed-Matter Systems*. Oxford University Press.
5. Phillips, N. E. (1971). "Superfluid helium-3". *Physics Today*, 24(11), 34–42.

Ứng dụng của heli lỏng trong khoa học và công nghệ

Heli lỏng đóng vai trò không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao đòi hỏi nhiệt độ cực thấp. Sự ổn định về mặt hóa học và khả năng duy trì nhiệt độ gần độ không tuyệt đối giúp heli lỏng trở thành chất làm lạnh tối ưu cho các thiết bị hiện đại. Trong y học, heli lỏng là thành phần thiết yếu của máy chụp cộng hưởng từ MRI, nơi các nam châm siêu dẫn cần được giữ dưới nhiệt độ tới hạn để duy trì trạng thái siêu dẫn.

Trong nghiên cứu khoa học, heli lỏng được dùng để làm lạnh từ trường trong máy gia tốc hạt như Large Hadron Collider (LHC), làm mát các đầu đo nhu cầu nhiệt độ thấp như đầu dò cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), và phục vụ nghiên cứu vật lý lượng tử. Ngoài ra, heli lỏng còn được ứng dụng trong:

• Điều khiển laser khí helium trong các thí nghiệm plasma
• Làm mát cảm biến hồng ngoại trên vệ tinh quan sát vũ trụ
• Môi trường nghiên cứu vật chất ngưng tụ và siêu dẫn

Tham khảo thêm: NIST – Low Temperature Physics

Quy trình hóa lỏng và bảo quản

Heli được hóa lỏng thông qua quy trình nhiệt động lực học gồm nén khí, làm lạnh sơ bộ bằng ni-tơ lỏng và sau đó giãn nở theo hiệu ứng Joule–Thomson. Do nhiệt độ sôi cực thấp, bất kỳ sự truyền nhiệt nhỏ nào cũng dẫn đến bay hơi nhanh. Vì vậy, việc bảo quản heli lỏng đòi hỏi yêu cầu cách nhiệt nghiêm ngặt, thường sử dụng các bình Dewar chân không có lớp phản xạ cách nhiệt đa lớp.

Bảng so sánh thông số bay hơi của một số chất lỏng làm lạnh:

Chất làm lạnh	Nhiệt độ sôi (K)	Nhiệt hóa hơi riêng (J/g)	Ứng dụng điển hình
Heli	4.22	20.9	Siêu dẫn và nhiệt độ siêu thấp
Hydro	20.3	446	Nghiên cứu cryogenics
NO₂	77	199	Làm lạnh sơ bộ

Do chi phí cao và tốc độ bay hơi nhanh, các hệ thống tái thu hồi và tái hóa lỏng heli đang được triển khai rộng rãi nhằm tiết kiệm tài nguyên và chi phí vận hành trong các phòng thí nghiệm lớn.

Thách thức trong khai thác và tái sử dụng

Heli trong tự nhiên được hình thành chủ yếu từ quá trình phân rã phóng xạ trong lòng đất và được thu hồi từ các mỏ khí thiên nhiên. Nguồn cung toàn cầu hạn chế và phân bố không đồng đều khiến heli trở thành tài nguyên chiến lược. Do heli khi thoát ra môi trường sẽ bay lên tầng cao khí quyển và thoát vào không gian, việc tái sản xuất tự nhiên gần như không thể theo chu kỳ ngắn, gây lo ngại về mức độ cạn kiệt.

Các nước cung cấp heli lớn như Hoa Kỳ, Nga và Qatar kiểm soát phần lớn nguồn dự trữ. Thiếu hụt heli dẫn đến chi phí khai thác và vận chuyển tăng cao. Do đó, việc tái sử dụng heli sau khi bay hơi từ bình chứa bằng hệ thống tái hóa lỏng là một trong các chính sách quan trọng nhằm bảo vệ nguồn cung.
Nguồn tham khảo: U.S. Department of Energy

Vai trò trong nghiên cứu cơ bản và vũ trụ học

Heli lỏng cho phép tiếp cận mức nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, nơi các hiệu ứng lượng tử chi phối hành vi của vật chất. Đây là nền tảng để nghiên cứu các hệ lượng tử như siêu dẫn, siêu lỏng, cấu trúc mạng lượng tử, hay kiểm nghiệm các lý thuyết về chuyển pha và đối xứng trong vật lý thống kê. Heli-3 đặc biệt có giá trị trong mô phỏng các hệ fermion tương tác mạnh, phục vụ nghiên cứu vật chất đậm đặc như lõi sao neutron.

Trong thiên văn học, các thiết bị đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) như vệ tinh Planck hay James Webb Space Telescope cần heli lỏng để làm mát máy dò hồng ngoại lên đến vài Kelvin. Nhờ heli lỏng, các phép đo có độ nhạy cao mới đạt được độ chính xác mong muốn để nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ.

Xu hướng thay thế và tương lai của heli lỏng

Do chi phí tăng và nguồn cung khan hiếm, nhiều giải pháp đang được phát triển nhằm tiết kiệm hoặc thay thế heli lỏng. Các hệ thống MRI hiện đại sử dụng nam châm “dry” không cần bể heli lỏng lớn. Trong nghiên cứu siêu dẫn, các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đang được nghiên cứu nhằm giảm phụ thuộc vào nhiệt độ gần zero tuyệt đối.

Xu hướng cải tiến công nghệ:

• Phát triển máy làm lạnh cryocooler hiệu suất cao không cần heli lỏng
• Hệ thống cách nhiệt tốt hơn để giảm tốc độ bay hơi heli
• Tăng cường năng lực tái thu hồi khí heli tại các cơ sở khoa học
• Tiếp tục nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Heli lỏng vẫn sẽ giữ vai trò chủ lực trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học trong nhiều thập kỷ tới, nhưng sự chủ động trong quản lý nguồn cung là điều bắt buộc.

Tài liệu tham khảo

1. NIST – Low Temperature Physics and Superfluidity
2. U.S. DOE – Facts About Helium
3. Tilley, D. R., & Tilley, J. (1990). Superfluidity and Superconductivity. Institute of Physics Publishing.
4. Leggett, A. J. (2006). Quantum Liquids. Oxford University Press.
5. Phillips, N. E. (1971). “Superfluid helium-3”. Physics Today, 24(11), 34–42.