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

Định nghĩa heli lỏng

Heli lỏng là trạng thái ngưng tụ lỏng của nguyên tố heli khi được hạ nhiệt độ xuống dưới điểm sôi tại áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Đây là môi chất lỏng duy nhất trong tự nhiên không bị đông đặc thành trạng thái rắn dưới áp suất khí quyển ngay cả khi được làm lạnh tiệm cận độ không tuyệt đối. Heli lỏng tồn tại dưới dạng một chất lỏng trong suốt, không màu, không mùi, không vị, có tỷ trọng khối lượng rất thấp và sức căng bề mặt cực nhỏ so với mọi chất lỏng thông thường khác.

Lịch sử vật lý nhiệt độ thấp ghi nhận nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes là người đầu tiên hóa lỏng thành công heli vào năm 1908 tại phòng thí nghiệm Leiden. Thành tựu này mở ra kỷ nguyên nghiên cứu vật chất ở vùng nhiệt độ siêu sâu, dẫn tới việc phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn và trạng thái siêu lỏng sau đó. Theo các phép đo nhiệt động lực học chính xác được Donnelly và Barenghi (1998) chuẩn hóa, đồng vị heli-4 có nhiệt độ sôi danh định là 4.22 K ở áp suất khí quyển 1 atm.

Heli lỏng đóng vai trò là một hệ thống vật lý lượng tử vĩ mô mẫu mực. Khi hạ nhiệt độ xuống các ngưỡng tới hạn, các hiệu ứng cơ học lượng tử vốn chỉ tồn tại ở thang vi mô nguyên tử bắt đầu bộc lộ rõ ràng trên quy mô quan sát được bằng mắt thường, biến heli lỏng thành một trong những đối tượng nghiên cứu trung tâm của ngành vật lý vật chất ngưng tụ.

Đặc tính vật lý và giản đồ pha lượng tử

Heli trong tự nhiên tồn tại dưới hai đồng vị bền là heli-4 và heli-3. Hai đồng vị này có cấu trúc hạt nhân và tính chất thống kê lượng tử hoàn toàn khác biệt, dẫn tới những đặc tính vật lý và nhiệt động học riêng biệt khi chuyển sang trạng thái lỏng:

• Đồng vị heli-4: Chiếm hầu hết lượng heli trong tự nhiên. Hạt nhân gồm hai proton và hai neutron, có spin nguyên bằng 0, do đó heli-4 là hạt boson tuân theo thống kê Bose–Einstein. Nhiệt độ sôi của heli-4 ở áp suất khí quyển 1 atm là 4.22 K.
• Đồng vị heli-3: Là đồng vị rất hiếm trong tự nhiên. Hạt nhân gồm hai proton và một neutron, có spin bán nguyên 1/2, do đó heli-3 là hạt fermion tuân theo thống kê Fermi–Dirac và nguyên lý loại trừ Pauli. Nhiệt độ sôi của heli-3 ở áp suất khí quyển 1 atm là 3.19 K.

Giản đồ pha của heli lỏng có điểm đặc biệt độc nhất vô nhị: không có điểm ba thể (triple point) nơi ba pha rắn, lỏng và khí đồng thời cùng tồn tại cân bằng nhiệt động. Thay vào đó, pha lỏng kéo dài liên tục tới độ không tuyệt đối (0 K). Nguyên nhân cơ bản là năng lượng dao động điểm không lượng tử (zero-point energy) của nguyên tử heli rất lớn, kết hợp với khối lượng nguyên tử nhỏ và lực hút Van der Waals giữa các nguyên tử heli khí trơ quá yếu. Các dao động lượng tử này ngăn cản các nguyên tử heli sắp xếp thành mạng tinh thể có trật tự.

Để cưỡng bức heli lỏng chuyển sang trạng thái rắn ở nhiệt độ tiệm cận 0 K, cần phải tác dụng một áp suất ngoài tối thiểu khoảng 2.5 MPa. Dưới áp suất cao này, lực liên kết cưỡng bức mới thắng được năng lượng dao động lượng tử điểm không để tạo thành cấu trúc tinh thể rắn lục giác xếp chặt hoặc lập phương tâm khối.

Hiện tượng chuyển pha Lambda và trạng thái siêu lỏng

Khi làm lạnh heli-4 lỏng dưới áp suất bão hòa xuống đến nhiệt độ 2.17 K theo dữ liệu của Donnelly và Barenghi (1998), chất lỏng trải qua một quá trình chuyển pha bậc hai đặc biệt gọi là chuyển pha Lambda. Tên gọi này bắt nguồn từ hình dạng đường cong nhiệt dung riêng của heli tăng vọt tiệm cận dạng chữ cái Hy Lạp lambda tại điểm chuyển tiếp nhiệt độ này.

Quá trình chuyển pha chia heli-4 lỏng thành hai pha riêng biệt:

• Heli I (trên 2.17 K): Trạng thái chất lỏng cổ điển bình thường, sôi sủi bọt mạnh khi bay hơi, có độ nhớt hữu hạn và tuân theo các định luật thủy động lực học thông thường của chất lỏng Navier–Stokes.
• Heli II (dưới 2.17 K): Trạng thái siêu lỏng kỳ lạ, bề mặt chất lỏng bỗng nhiên trở nên phẳng lặng tuyệt đối không còn sủi bọt vì độ dẫn nhiệt tăng vọt làm nhiệt độ phân bố đồng nhất tức thì trong toàn khối chất lỏng.

Hiện tượng siêu lỏng trong Heli II được nhà vật lý Pyotr Kapitza khám phá bằng thực nghiệm độc lập vào năm 1938, công bố trên tạp chí Nature. Kapitza nhận thấy khi cho Heli II chảy qua các khe hẹp có bề rộng cỡ micromet giữa hai đĩa thủy tinh nhẵn, độ nhớt của chất lỏng giảm xuống mức không thể đo đạc được, nhỏ hơn độ nhớt của nước hàng triệu lần. Gần như đồng thời, John Allen và Don Misener tại Cambridge cũng ghi nhận dòng chảy không ma sát tương tự qua các ống mao quản.

Các hiện tượng thủy động lực học dị thường của pha siêu lỏng Heli II bao gồm:

• Độ nhớt bằng 0: Chất lỏng có khả năng chảy qua các mao quản và màng lọc siêu mịn mà không chịu bất kỳ lực cản ma sát nhớt nào.
• Khả năng dẫn nhiệt siêu cao: Độ dẫn nhiệt của Heli II cao hơn đồng kim loại nguyên chất hàng trăm lần, truyền nhiệt theo cơ chế sóng nhiệt gọi là âm thứ hai (second sound) thay vì dẫn nhiệt khuếch tán thông thường.
• Hiệu ứng màng leo Rollin: Heli II có thể tự tạo thành một màng chất lỏng cực mỏng dày vài chục nanomet bò ngược trọng lực leo lên thành bình chứa và tràn ra ngoài.
• Hiệu ứng đài phun nhiệt cơ: Khi đốt nóng nhẹ một đầu của ống mao quản ngâm trong Heli II, áp suất nhiệt cơ học xuất hiện đẩy một tia chất lỏng phun vọt lên cao qua miệng ống.

Mô hình lý thuyết ngưng tụ Bose–Einstein và hai chất lỏng

Về mặt vi mô, bản chất của trạng thái siêu lỏng trong heli-4 gắn liền mật thiết với hiện tượng ngưng tụ Bose–Einstein. Vì các nguyên tử heli-4 là hạt boson có spin nguyên, một phần đáng kể các hạt có thể đồng thời ngưng tụ vào cùng một trạng thái lượng tử cơ bản có mức năng lượng thấp nhất khi nhiệt độ hạ xuống dưới ngưỡng tới hạn.

Tỷ lệ số hạt ngưng tụ vào trạng thái lượng tử nền ở nhiệt độ thấp được mô tả bằng biểu thức lý thuyết khí Bose lý tưởng:
$n_0 = N \left(1 - \left(\frac{T}{T_c}\right)^{3/2}\right)$
Trong đó:

• $n_0$: số hạt nguyên tử chiếm giữ trạng thái lượng tử nền
• $N$: tổng số hạt nguyên tử trong hệ thống
• $T_c$: nhiệt độ tới hạn ngưng tụ của hệ hạt boson
• T: nhiệt độ tuyệt đối của môi trường chất lỏng (K)

Mặc dù tương tác mạnh giữa các nguyên tử trong chất lỏng thực làm giảm tỷ lệ phần trăm ngưng tụ thực tế xuống một phần hữu hạn tại 0 K, pha ngưng tụ này vẫn đóng vai trò là hàm sóng lượng tử vĩ mô điều khiển trật tự tầm xa và triệt tiêu tán xạ năng lượng.

Để giải thích các hiện tượng thủy động lực học của Heli II, Laszlo Tisza và Lev Landau đã phát triển mô hình hai chất lỏng. Theo mô hình này, Heli II được xem như hỗn hợp đồng nhất của hai thành phần lỏng lồng ghép vào nhau: thành phần bình thường có độ nhớt và mang toàn bộ entropy của hệ, và thành phần siêu lỏng có độ nhớt bằng 0 và không mang entropy. Khi nhiệt độ tiến sát 0 K, tỷ lệ thành phần siêu lỏng đạt gần như hoàn toàn, tạo ra trạng thái lưu chất lý tưởng hoàn hảo.

Heli-3 lỏng và trạng thái siêu lỏng Fermion

Do heli-3 là hạt fermion có spin bán nguyên 1/2, nguyên lý loại trừ Pauli ngăn cấm hai nguyên tử heli-3 cùng chiếm giữ một trạng thái lượng tử. Vì vậy, heli-3 không thể trải qua hiện tượng ngưng tụ Bose–Einstein trực tiếp như heli-4 ở nhiệt độ vài Kelvin.

Tuy nhiên, ở nhiệt độ cực kỳ thấp trong thang milikelvin, các tương tác hút gián tiếp thông qua dao động spin của môi trường cho phép hai nguyên tử heli-3 liên kết với nhau tạo thành các cặp Cooper tương tự như cơ chế ghép cặp electron trong lý thuyết siêu dẫn BCS. Năm 1972, Douglas Osheroff, Robert Richardson và David Lee tại Đại học Cornell đã phát hiện ra các chuyển pha dị thường của heli-3 lỏng ở nhiệt độ khoảng 2.5 mK dưới áp suất cao, mang lại cho họ giải Nobel Vật lý danh giá.

Khác biệt căn bản với các cặp Cooper electron trong kim loại siêu dẫn (vốn có spin đối song song và mô men động lượng quỹ đạo triệt tiêu), các cặp Cooper trong heli-3 lỏng có trạng thái triplet spin và sóng p. Cơ chế lượng tử vi mô phức tạp này đã được Anthony Leggett (1975) giải thích thành công trong công trình chuyên khảo kinh điển công bố trên tạp chí Reviews of Modern Physics.

Heli-3 lỏng tồn tại ở hai pha siêu lỏng chính:

• Pha siêu lỏng A: Xuất hiện ở nhiệt độ và áp suất tương đối cao hơn trong vùng milikelvin, có cấu trúc trật tự bất đối xứng trục trong không gian quỹ đạo (trạng thái Anderson–Brinkman–Morel), thể hiện tính dị hướng rõ rệt.
• Pha siêu lỏng B: Xuất hiện ở nhiệt độ thấp hơn và áp suất thấp hơn, có khe năng lượng đẳng hướng hoàn toàn (trạng thái Balian–Werthamer).

Các pha siêu lỏng của heli-3 là phòng thí nghiệm tự nhiên lý tưởng cho các nhà vật lý kiểm chứng lý thuyết đối xứng phá vỡ tự phát, hiện tượng xoáy lượng tử tô-pô và các mô hình hạt giả hạt tương đương trong vật lý năng lượng cao và vũ trụ học sơ khai.

Công nghệ hóa lỏng, chu trình nhiệt động và bảo quản

Quá trình hóa lỏng khí heli là một thách thức kỹ thuật lớn do nhiệt độ sôi rất thấp và nhiệt độ nghịch đảo Joule–Thomson của heli nằm ở vùng nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ phòng, khi khí heli giãn nở đoạn nhiệt qua van nghẽn (hiệu ứng Joule–Thomson), nhiệt độ của nó sẽ tăng lên thay vì hạ xuống. Do đó, khí heli bắt buộc phải được làm lạnh sơ bộ xuống dưới nhiệt độ nghịch đảo trước khi tiến hành bước giãn nở đoạn nhiệt cuối cùng.

Quy trình hóa lỏng heli công nghiệp điển hình (như chu trình Claude hoặc chu trình Collins) gồm các giai đoạn liên hoàn:

• Khí heli được nén tới áp suất cao và tinh chế loại bỏ tạp chất không khí, hơi nước và dầu máy nén.
• Làm lạnh sơ bộ qua tầng trao đổi nhiệt sử dụng nitơ lỏng sôi ở 77 K. Trong một số chu trình nghiên cứu, hydro lỏng sôi ở 20.3 K cũng từng được khai thác để làm lạnh trung gian.
• Khí heli tiếp tục được hạ nhiệt độ thông qua các máy giãn nở sinh công (expansion turbines) để hạ nhiệt xuống vùng nhiệt độ thấp.
• Cuối cùng, dòng khí heli lạnh đi qua van giãn nở Joule–Thomson, một phần dòng khí ngưng tụ thành heli lỏng ở 4.22 K và tích tụ trong bể chứa.

Bảng so sánh thông số nhiệt động của heli với các khí hóa lỏng phổ biến:

Khí hóa lỏng	Nhiệt độ sôi ở 1 atm (K)	Nhiệt hóa hơi riêng (J/g)
Heli-4	4.22	20.9
Hydro	20.3	446
Nitơ	77	199

Vì nhiệt hóa hơi riêng của heli lỏng rất bé (chỉ 20.9 J/g, nhỏ hơn nitơ lỏng gần mười lần), bất kỳ sự xâm nhập nhiệt nhỏ nào từ môi trường cũng khiến heli lỏng bay hơi nhanh chóng. Do đó, việc bảo quản và vận chuyển heli lỏng đòi hỏi bình chân không Dewar chuyên dụng có nhiều lớp cách nhiệt phản xạ bức xạ (Multi-Layer Insulation - MLI), thường kèm theo các tấm chắn nhiệt được làm lạnh phụ bằng nitơ lỏng hoặc ống lạnh hồi lưu.

Ứng dụng thực tiễn trong khoa học và công nghệ cao

Heli lỏng là tài nguyên thiết yếu không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao và hạ tầng nghiên cứu khoa học cơ bản trên toàn cầu:

• Thiết bị chẩn đoán y tế (MRI): Là ứng dụng tiêu thụ khối lượng heli lỏng lớn nhất trong công nghiệp y tế. Các cuộn dây hợp kim Niobi-Titan trong máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân cần được ngâm chìm trong heli lỏng ở 4.22 K để duy trì trạng thái siêu dẫn không điện trở, tạo ra từ trường cường độ cao và ổn định phục vụ chẩn đoán hình ảnh y khoa.
• Máy cộng hưởng từ hạt nhân phân tích (NMR): Các hệ thống phổ kế NMR trong nghiên cứu hóa học, sinh học cấu trúc và phát triển dược phẩm sử dụng heli lỏng làm mát cuộn nam châm siêu dẫn để phân tích cấu trúc không gian ba chiều của protein và phân tử phức tạp.
• Máy gia tốc hạt vật lý năng lượng cao: Máy gia tốc hạt lớn (LHC) tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) là hệ thống cryogenic sử dụng lượng heli siêu lỏng lớn nhất hành tinh. Toàn bộ các cuộn nam châm lưỡng cực siêu dẫn của LHC được làm lạnh bằng heli siêu lỏng ở nhiệt độ 1.9 K (dưới điểm chuyển pha Lambda) nhằm nâng cao từ trường định hướng chùm hạt proton lên mức cực đại.
• Điện toán lượng tử và vật lý nano: Các bộ xử lý lượng tử sử dụng qubit siêu dẫn đòi hỏi môi trường làm việc không nhiễu nhiệt ở mức milikelvin. Mức nhiệt độ này được tạo ra nhờ các tủ lạnh hòa tan hỗn hợp heli-3 và heli-4 (dilution refrigerators).
• Kính thiên văn và nghiên cứu không gian: Các đài quan sát thiên văn không gian như Planck Satellite hay kính viễn vọng không gian sử dụng hệ thống cryostat chứa heli lỏng để làm mát các cảm biến vi sóng và hồng ngoại tới gần độ không tuyệt đối (0 K), giúp loại bỏ nhiễu nhiệt nền và phát hiện bức xạ tàn dư từ thời kỳ vũ trụ sơ khai.

Khủng hoảng nguồn cung và xu hướng phát triển bền vững

Mặc dù heli là nguyên tố phong phú trong vũ trụ, heli trên Trái Đất lại là nguồn tài nguyên khoáng sản hữu hạn và không thể tái tạo. Heli trong khí quyển có hàm lượng rất nhỏ và do có khối lượng phân tử nhẹ, khí heli thoát ra môi trường sẽ dần khuếch tán lên các tầng cao khí quyển rồi vĩnh viễn thoát ra ngoài không gian vũ trụ.

Nguồn heli thương mại trên Trái Đất hình thành chủ yếu từ quá trình phân rã phóng xạ alpha kéo dài hàng triệu năm của các khoáng vật chứa uranium và thorium trong vỏ Trái Đất, sau đó tích tụ lại cùng với các túi khí thiên nhiên dưới lòng đất. Chỉ một số ít mỏ khí thiên nhiên tại Hoa Kỳ, Qatar, Nga và Algeria có hàm lượng heli đủ cao để khai thác kinh tế.

Trước tình trạng khan hiếm nguồn cung và biến động giá cả trên thị trường toàn cầu, các giải pháp công nghệ bền vững đang được đẩy mạnh phát triển:

• Hệ thống thu hồi và tái hóa lỏng khép kín (Zero-Boil-Off): Lắp đặt các máy tái hóa lỏng tại chỗ thu gom toàn bộ lượng khí heli bay hơi từ các máy MRI và NMR trong bệnh viện và viện nghiên cứu, nén lại và làm lạnh để tuần hoàn tái sử dụng.
• Công nghệ nam châm khô không dùng chất lỏng (Cryogen-free magnets): Sử dụng máy làm lạnh cơ học cực sâu (cryocooler chu trình Gifford–McMahon hoặc ống xung Pulse-Tube) kết nối truyền dẫn nhiệt trực tiếp để làm mát cuộn siêu dẫn mà không cần ngâm trong bể heli lỏng.
• Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS): Phát triển các cuộn dây siêu dẫn thế hệ mới từ gốm siêu dẫn cuprate hoặc pnictide có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn như nhiệt độ nitơ lỏng 77 K, cho phép sử dụng hydro lỏng hoặc nitơ lỏng rẻ tiền và dồi dào thay thế cho heli lỏng.

Dù các công nghệ thay thế đang đạt nhiều bước tiến quan trọng, heli lỏng vẫn tiếp tục là môi chất làm lạnh cốt lõi và không thể thay thế hoàn toàn trong các nghiên cứu khoa học đỉnh cao và các hệ thống nam châm siêu dẫn từ trường siêu mạnh trong tương lai gần.