Obrotowy nadpłynny gaz fermionów przebitych wirami. Źródło zdjęcia: MIT. Kliknij, aby powiększyć.
Naukowcy z MIT doprowadzili superchłodzenie do gorącej rasy wśród fizyków: jako pierwsi stworzyli nowy rodzaj materii, gaz atomów, który wykazuje nadciekłość w wysokiej temperaturze.
Ich praca, o której donosi dziennik Nature z 23 czerwca, jest ściśle związana z nadprzewodnictwem elektronów w metalach. Obserwacje nadpłynów mogą pomóc w rozwiązywaniu pozostających pytań o nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze, które ma szerokie zastosowanie w magnesach, czujnikach i energooszczędnym transporcie energii elektrycznej, powiedział Wolfgang Ketterle, laureat Nagrody Nobla, który kieruje grupą MIT i którym jest John D. MacArthur Profesor fizyki.
Widzenie tak bardzo płynnego gazu tak wyraźnie jest tak dramatycznym krokiem, że Dan Kleppner, dyrektor MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, powiedział: „To nie jest paląca broń dla nadciekłości. To działo.
Od kilku lat grupy badawcze na całym świecie badają zimne gazy tzw. Atomów fermionowych, a ich ostatecznym celem jest znalezienie nowych form nadciekłości. Nadciekły gaz może przepływać bez oporu. Można go wyraźnie odróżnić od normalnego gazu, gdy jest on obracany. Normalny gaz obraca się jak zwykły obiekt, ale nadciek może obracać się tylko wtedy, gdy tworzy wiry podobne do mini-tornad. Daje to obracającemu się płynowi wygląd szwajcarskiego sera, w którym otwory stanowią rdzenie mini-tornad. „Gdy zobaczyliśmy pierwsze zdjęcie wirów na ekranie komputera, zapierało dech w piersiach” - powiedział doktorant Martin Zwierlein, wspominając wieczór 13 kwietnia, kiedy zespół po raz pierwszy zobaczył nadciekły gaz. Przez prawie rok zespół pracował nad tym, aby pola magnetyczne i wiązki laserowe były bardzo okrągłe, aby umożliwić obrót gazu. „To było jak przeszlifowanie guzków koła, aby idealnie zaokrąglić”, wyjaśnił Zwierlein.
„W nadpłynach, a także w nadprzewodnikach, cząstki poruszają się w jednym kroku. Tworzą jedną dużą falę kwantowo-mechaniczną ”- wyjaśnił Ketterle. Taki ruch pozwala nadprzewodnikom przewodzić prądy elektryczne bez oporu.
Zespół MIT był w stanie zobaczyć te nadpłynne wiry w ekstremalnie niskich temperaturach, gdy gaz fermionowy został schłodzony do około 50 miliardowych części stopnia Kelvina, bardzo blisko zera absolutnego (-273 stopni C lub -459 stopni F). „Może wydawać się dziwne nazywanie nadciekłości przy nadciekłości wysokotemperaturowej wynoszącej 50 nanokelwinów, ale liczy się temperatura znormalizowana przez gęstość cząstek” - powiedział Ketterle. „Osiągnęliśmy zdecydowanie najwyższą jak dotąd temperaturę”. Skalowana do gęstości elektronów w metalu, temperatura nadpłynności w gazach atomowych byłaby wyższa niż temperatura pokojowa.
Członkami zespołu Ketterle byli absolwenci MIT Zwierlein, Andre Schirotzek i Christian Schunck, wszyscy członkowie Centrum Ultracold Atoms, a także były doktorant Jamil Abo-Shaeer.
Zespół zaobserwował nadpłynność fermionową w izotopie litu-6 zawierającym trzy protony, trzy neutrony i trzy elektrony. Ponieważ całkowita liczba składników jest nieparzysta, lit-6 jest fermionem. Stosując techniki chłodzenia laserowego i wyparnego, schłodzili gaz prawie do zera absolutnego. Następnie uwięzili gaz w ognisku wiązki laserowej podczerwieni; pola elektryczne i magnetyczne światła podczerwonego utrzymywały atomy na miejscu. Ostatnim krokiem było obrócenie zielonej wiązki laserowej wokół gazu, aby wprawić go w ruch obrotowy. Obraz chmury w cieniu pokazał jej nadpłynność: chmura została przebita przez regularny zestaw wirów, każdy o tej samej wielkości.
Praca opiera się na wcześniejszym stworzeniu przez grupę MIT kondensatów Bosego-Einsteina, formy materii, w której cząstki kondensują i działają jak jedna wielka fala. Albert Einstein przewidział to zjawisko w 1925 r. Naukowcy później zdali sobie sprawę, że kondensacja Bosego-Einsteina i nadciekłość są ściśle powiązane.
Kondensacja Bosego-Einsteina par fermionów, które zostały luźno połączone ze sobą jako cząsteczki, została zaobserwowana w listopadzie 2003 r. Przez niezależne zespoły z University of Colorado w Boulder, University of Innsbruck w Austrii i MIT. Jednak obserwowanie kondensacji Bosego-Einsteina nie jest tym samym, co obserwowanie nadciekłości. Grupy te przeprowadziły dalsze badania w Ecole Normale Superieure w Paryżu, Duke University i Rice University, ale dowody na nadciekłość były niejednoznaczne lub pośrednie.
Nadciekły gaz Fermi wytworzony w MIT może również służyć jako łatwo kontrolowany układ modelowy do badania właściwości znacznie gęstszych form materii fermionowej, takich jak nadprzewodniki stałe, gwiazdy neutronowe lub plazma kwarkowo-gluonowa, która istniała we wczesnym wszechświecie.
Badania MIT były wspierane przez National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA i Army Research Office.
Oryginalne źródło: MIT News Release
