Ένα περιστρεφόμενο υπερρευστό αέριο φερμιονίων που διαπερνιέται με στροφές. Πιστωτική εικόνα: MIT. Κάντε κλικ για μεγέθυνση.
Οι επιστήμονες του MIT έφεραν ένα τέλος στο supercool σε μια έντονη κούρσα μεταξύ των φυσικών: Έχουν γίνει οι πρώτοι που δημιούργησαν ένα νέο είδος ύλης, ένα αέριο ατόμων που εμφανίζει υψηλή θερμοκρασία.
Το έργο τους, που θα αναφερθεί στο τεύχος της Φύσης 23 Ιουνίου, σχετίζεται στενά με την υπεραγωγιμότητα των ηλεκτρονίων στα μέταλλα. Οι παρατηρήσεις των υπερρευστών μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση παρατεταμένων ερωτήσεων σχετικά με την υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας, η οποία έχει εκτεταμένες εφαρμογές για μαγνήτες, αισθητήρες και ενεργειακά αποδοτική μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, δήλωσε ο Wolfgang Ketterle, βραβευμένος με Νόμπελ επικεφαλής της ομάδας MIT και ποιος είναι ο John D. MacArthur Καθηγητής Φυσικής
Το να βλέπει κανείς το υπερβολικό ρευστό αέριο είναι ένα τόσο δραματικό βήμα που ο Dan Kleppner, διευθυντής του MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, είπε: «Αυτό δεν είναι ένα όπλο καπνίσματος για υπερρευστότητα. Αυτό είναι ένα κανόνι. "
Για αρκετά χρόνια, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο μελετούν ψυχρά αέρια των λεγόμενων φερμιονικών ατόμων με απώτερο στόχο την εξεύρεση νέων μορφών υπερρευστότητας. Ένα υπερρευστό αέριο μπορεί να ρέει χωρίς αντίσταση. Μπορεί να διακριθεί σαφώς από ένα κανονικό αέριο όταν περιστρέφεται. Ένα κανονικό αέριο περιστρέφεται σαν ένα συνηθισμένο αντικείμενο, αλλά ένα υπερρευστό μπορεί να περιστρέφεται μόνο όταν σχηματίζει στροφές παρόμοιες με τους μίνι ανεμοστρόβιλους. Αυτό δίνει μια περιστρεφόμενη υπερρευστή εμφάνιση του ελβετικού τυριού, όπου οι τρύπες είναι οι πυρήνες των μίνι-ανεμοστρόβιλων. «Όταν είδαμε την πρώτη εικόνα των στροφών να εμφανίζονται στην οθόνη του υπολογιστή, ήταν απλώς εκπληκτική», δήλωσε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Martin Zwierlein υπενθυμίζοντας το απόγευμα της 13ης Απριλίου, όταν η ομάδα είδε για πρώτη φορά το υπερρευστό αέριο. Για σχεδόν ένα χρόνο, η ομάδα εργαζόταν για την κατασκευή μαγνητικών πεδίων και ακτίνων λέιζερ πολύ στρογγυλά ώστε το αέριο να μπορεί να ρυθμιστεί σε περιστροφή. «Ήταν σαν να τρίβουμε τα χτυπήματα ενός τροχού για να το κάνουμε τέλεια στρογγυλό», εξήγησε ο Zwierlein.
«Στα υπερρευστά, καθώς και στους υπεραγωγούς, τα σωματίδια κινούνται στο κλείδωμα. Σχηματίζουν ένα μεγάλο κβαντομηχανικό κύμα », εξήγησε ο Ketterle. Μια τέτοια κίνηση επιτρέπει στους υπεραγωγούς να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα χωρίς αντίσταση.
Η ομάδα του MIT μπόρεσε να δει αυτές τις υπερρευστές στροφές σε εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες, όταν το φερμιονικό αέριο ψύχθηκε σε περίπου 50 δισεκατομμυριοστά του βαθμού Kelvin, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμούς C ή -459 βαθμούς F). «Μπορεί να ακούγεται περίεργο να ονομάζουμε υπερρευστότητα σε υπερ-ρευστότητα υψηλής θερμοκρασίας 50 nanokelvin, αλλά αυτό που έχει σημασία είναι η θερμοκρασία που ομαλοποιείται από την πυκνότητα των σωματιδίων», δήλωσε ο Ketterle. «Έχουμε πλέον επιτύχει μακράν την υψηλότερη θερμοκρασία ποτέ». Μέχρι την πυκνότητα των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο, η θερμοκρασία μετάβασης του υπερρευστού σε ατομικά αέρια θα ήταν υψηλότερη από τη θερμοκρασία δωματίου.
Τα μέλη της ομάδας του Ketterle ήταν οι μεταπτυχιακοί φοιτητές του MIT Zwierlein, Andre Schirotzek και Christian Schunck, όλοι από τους οποίους είναι μέλη του Κέντρου Ultracold Atoms, καθώς και πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής Jamil Abo-Shaeer.
Η ομάδα παρατήρησε φερμιονική υπερρευστότητα στο ισότοπο λιθίου-6 που περιλαμβάνει τρία πρωτόνια, τρία νετρόνια και τρία ηλεκτρόνια. Δεδομένου ότι ο συνολικός αριθμός των συστατικών είναι περίεργος, το λίθιο-6 είναι ένα φερμιόν. Χρησιμοποιώντας λέιζερ και τεχνικές ψύξης με εξάτμιση, ψύξαν το αέριο σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Στη συνέχεια παγιδεύτηκαν το αέριο στο επίκεντρο μιας υπέρυθρης ακτίνας λέιζερ. τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία του υπέρυθρου φωτός κράτησαν τα άτομα στη θέση τους. Το τελευταίο βήμα ήταν να περιστρέψετε μια πράσινη δέσμη λέιζερ γύρω από το αέριο για να το θέσετε σε περιστροφή. Μια σκιώδης εικόνα του σύννεφου έδειχνε την υπερρευστή του συμπεριφορά: Το σύννεφο τρυπήθηκε από μια κανονική σειρά στροβίλων, το καθένα με το ίδιο μέγεθος.
Το έργο βασίζεται στην προηγούμενη δημιουργία των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein του ομίλου MIT, μια μορφή ύλης στην οποία τα σωματίδια συμπυκνώνονται και δρουν ως ένα μεγάλο κύμα. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε αυτό το φαινόμενο το 1925. Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν αργότερα ότι η συμπύκνωση και η υπερρευστότητα Bose-Einstein σχετίζονται στενά.
Η συμπύκνωση Bose-Einstein από ζεύγη φερμιόνων που συνδέθηκαν χαλαρά ως μόρια παρατηρήθηκε τον Νοέμβριο του 2003 από ανεξάρτητες ομάδες στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία και στο MIT. Ωστόσο, η παρατήρηση της συμπύκνωσης Bose-Einstein δεν είναι η ίδια με την παρατήρηση της υπερρευστότητας. Περαιτέρω μελέτες πραγματοποιήθηκαν από αυτές τις ομάδες και στο Ecole Normale Superieure στο Παρίσι, στο Πανεπιστήμιο Duke και στο Πανεπιστήμιο Rice, αλλά τα στοιχεία για την υπερρευστότητα ήταν διφορούμενα ή έμμεσα.
Το υπερρευστό αέριο Fermi που δημιουργήθηκε στο MIT μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως ένα εύκολα ελεγχόμενο μοντέλο μοντέλο για τη μελέτη ιδιοτήτων πολύ πυκνότερων μορφών φερμιονικής ύλης όπως στερεών υπεραγωγών, αστεριών νετρονίων ή του πλάσματος κουάρκ-γλουόνων που υπήρχε στον πρώιμο κόσμο.
Η έρευνα MIT υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας, τη NASA και το Γραφείο Έρευνας του Στρατού.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων του MIT
