Düşük Sıcaklıklar Fiziği
Oksijenin sıvılaşma sıcaklığı olan — 183°C ile mutlak sıfır noktası kabul edilen —273°C arasındaki çok düşük sıcaklıkların elde edilmesi, denetlenmesi ve kullanılm asıyla ilgilenen fizik dalma düşük sıcaklıklar fiziği ya da kriyojeni denir. Eski Yunanca’dan alınan bu sözcüğün anlamı da “soğuk üretimi”dir.
Bir maddenin ısıtılması moleküllerinin rasgele hareketini artırır. Soğutulması ise moleküllerin bu düzensiz hareketini yavaşlatarak belli bir düzen içine girmelerini sağlar; böylece sürtünme azalır. (Bu olayı, dar bir kapının önünde düzgün bir kuyruk oluşturan insanların itişip kakışan bir kalabalıktan daha kısa sürede içeri girmelerine benzetebiliriz.) Çok düşük sıcaklıklarda maddelerin bazı özellikleri büyük ölçüde değişir. Örneğin bazı metaller iyice soğutulduğunda kusursuz bir elektrik iletkenine dönüşür; bu durumdaki metallere de üstün iletken ya da aşırı iletken denir. Bir maddenin üstün iletken duruma gelebilmesi için, elektrik iletiminden sorumlu olan elektronların serbestçe hareket edebilmesi gerekir; bunun yolu da elektronları engelleyerek madde içinde bir elektrik direnci yaratan rasgele molekül hareketini düzene sokmaktır. Sözgelimi cıva —269°C’nin altındaki sıcaklıklarda üstün iletkendir.
Maddenin çok düşük sıcaklıklarda değişik özellikler kazanmasının başka bir örneğide sıvıların üstün akışkan duruma gelmesidir. Özellikle sıvı helyum —271°C’nin altındaki sıcaklıklarda bütün ağdalılığım (viskozitesini) ve akma direncini yitirerek en dar çatlakların ya da kanalların içinden bile hiç sürtünmeksizin akar. Ayrıca, bulunduğu yüzeylerde incecik bir katman oluşturarak örneğin bir kabın kenarlarına doğru tırmanabilir. Sıvı helyumun bu ilginç ve alışılmadık özelliği, yarı yarıya doldurulmuş ağzı açık bir kabın taşarak kendi kendine boşalması gibi beklenmedik bir sonuç doğurur.
Düşük sıcaklıklar fiziğinde ilk deneyler 1877’de İsviçreli fizikçi Raoul Pictet’nin çalışmalarıyla başladı. Pictet’nin — 175°C gibi doğada örneğine rastlanmayacak kadar düşük sıcaklıkları laboratuvar koşullarında elde etmesi ilk büyük başarıydı. Bunu 1893’te İskoçyalı kimyacı ve fizikçi Sir James Devvar’ın gerçekleştirdiği deneyler izledi. O günden bu yana düşük sıcaklıklar fiziğindeki bütün gelişmeler sanayi ve teknolojinin birçok alanına uygulanmış, özellikle havacılık ve uzay sanayisi ile elektronikte büyük ilerlemelere yol açmıştır. Örneğin sıvı oksijen ve hidrojenle çalışan uzay araçları, üstün iletkenlerin kullanıldığı bilgisayarlar, güdümlü silahlar ve iletişim sistemleri, yiyeceklerin uzun süre bozulmadan saklanmasını sağlayan dondurulmuş gıda teknikleri hep bu çalışmaların ürünüdür. Ama düşük sıcaklıkların tıp ve biyoloji araştırmalarındaki yararları belki hepsinden daha çarpıcıdır. Nitekim bugün biyoloji bilimlerinde “kriyobiyoloji” denen özel bir dal gelişmiştir. Ayrıca fizik araştırmalarında kullanılan çok güçlü, ama eskisinden 100 kat küçük elektromıknatıslar da düşük sıcaklıkların sağladığı olanaklardan biridir. Çünkü üstüniletken metalden yapılan incecik bir tel, sıradan bir iletkeni hemen eritebilecek düzeydeki elektrik akımlarını kolayca taşıyabilir.