Rotējoša superfluidāla gāze fermioniem, kas caurdurti ar virpuļiem. Attēla kredīts: MIT. Noklikšķiniet, lai palielinātu.
MIT zinātnieki ir beiguši karstu sacensību starp fiziķiem supercool: tie ir kļuvuši par pirmajiem, kas izveidoja jauna veida matēriju - atomu gāzi, kas parāda augstas temperatūras superfluidity.
Viņu darbs, par kuru jāziņo žurnāla Nature 23. jūnija numurā, ir cieši saistīts ar metālu elektronu supravadītspēju. Superfluīdu novērojumi var palīdzēt atrisināt pastāvīgos jautājumus par augstas temperatūras supravadītspēju, kurai ir plaši pielietoti magnēti, sensori un energoefektīvs elektroenerģijas transports, sacīja Volfgangs Ketterle, Nobela prēmijas laureāts, kurš vada MIT grupu un kurš ir Džons D. MakArtūrs. Fizikas profesors.
Tik skaidri redzēt superfluidāto gāzi ir tik dramatisks solis, ka MIT-Hārvarda Ultracold Atomu centra direktors Dans Kleppners sacīja: “Šis nav smēķēšanas pistole superfluidity. Tas ir lielgabals. ”
Vairāku gadu garumā pētniecības grupas visā pasaulē pēta tā saukto fermiono atomu aukstās gāzes ar galveno mērķi - atrast jaunas superfluiditātes formas. Īpaši šķidra gāze var plūst bez pretestības. To var skaidri atšķirt no parastās gāzes, kad to pagriež. Parasta gāze rotē tāpat kā parasts objekts, bet superfluīds var griezties tikai tad, kad tas veido virpuļus, kas līdzīgi mini-tornado. Tas piešķir rotējošam superfluīdam Šveices siera izskatu, kurā caurumi ir mini-tornado kodoli. “Kad mēs redzējām, ka datora ekrānā parādās pirmais virpuļu attēls, tas bija vienkārši elpu aizraujošs,” sacīja absolvents Martins Zvereleins, atceroties 13. aprīļa vakaru, kad komanda pirmo reizi ieraudzīja superplūstošo gāzi. Gandrīz gadu komanda strādāja pie tā, lai magnētiskie lauki un lāzera stari būtu ļoti apaļi, lai gāzi varētu iestatīt rotācijā. “Tas bija kā riteņa izciļņu slīpēšana, lai padarītu to perfekti apaļu,” skaidroja Zvejerēns.
“Superfluīdos, kā arī supravadītājos daļiņas pārvietojas pa slieksni. Tie veido vienu lielu kvantu-mehānisko vilni, ”skaidroja Ketterle. Šāda kustība ļauj supravadītājiem pārvadāt elektriskās strāvas bez pretestības.
MIT komanda spēja apskatīt šos superfluidos virpuļus ārkārtīgi aukstā temperatūrā, kad fermiono gāzi atdzesēja līdz aptuveni 50 miljardām ceturtdaļas grāda Kelvina grādu, ļoti tuvu absolūtajai nullei (-273 grādi C vai -459 grādi F). "Var likties dīvaini, ja saucam par superfluidity pie 50 nanokelvin augstas temperatūras superfluidity, bet vissvarīgākais ir temperatūra, kuru normalizē daļiņu blīvums," sacīja Ketterle. "Mēs tagad esam sasnieguši līdz šim augstāko temperatūru." Ja to palielina līdz elektronu blīvumam metālā, virsšķidruma pārejas temperatūra atomu gāzēs būtu augstāka par istabas temperatūru.
Ketterle komandas locekļi bija MIT absolventi Zvierleins, Andre Schirotzek un Christian Schunck, kuri visi ir Ultracold Atomu centra biedri, kā arī bijušais absolvents Jamil Abo-Shaeer.
Komanda novēroja fermiona superfluiditāti litija-6 izotopā, kas satur trīs protonus, trīs neitronus un trīs elektronus. Tā kā kopējais sastāvdaļu skaits ir nepāra, litijs-6 ir fermions. Izmantojot lāzera un iztvaikošanas dzesēšanas paņēmienus, viņi atdzesēja gāzi tuvu absolūtai nullei. Pēc tam viņi ieslodzīja gāzi infrasarkanā lāzera stara fokusā; infrasarkanās gaismas elektriskie un magnētiskie lauki turēja atomus savā vietā. Pēdējais solis bija apgriezt zaļu lāzera staru ap gāzi, lai to iestatītu rotācijā. Mākoņa ēnu attēls parādīja tā superfluidālo izturēšanos: Mākoni caurdura regulārs virpuļplākšņu klāsts, katrs apmēram vienāds.
Darba pamatā ir MIT grupas agrākā Bose-Einšteina kondensātu radīšana - vielas veids, kurā daļiņas kondensējas un darbojas kā viens liels vilnis. Alberts Einšteins paredzēja šo parādību 1925. gadā. Zinātnieki vēlāk saprata, ka Bose-Einšteina kondensācija un superfluiditāte ir cieši saistītas.
2003. gada novembrī neatkarīgās komandas Kolorādo universitātē Boulderā, Insbrukas universitātē Austrijā un MIT novēroja Bose-Einšteina pāru fermionu, kas bija savstarpēji brīvi savienoti kā molekulas, kondensāciju. Tomēr Bose-Einšteina kondensācijas novērošana nav tas pats, kas novērot superfluidity. Turpmākus pētījumus veica šīs grupas un Ecole Normale Superieure Parīzē, Hercoga universitātē un Rīza universitātē, taču pierādījumi par superfluiditāti bija neskaidri vai netieši.
MIT izveidotā superšķidrā Fermi gāze var kalpot arī kā viegli kontrolējama modeļa sistēma, lai pētītu daudz blīvāku fermionisko vielu formas, piemēram, cietos supravadītājus, neitronu zvaigznes vai kvarka-gluona plazmu, kas pastāvēja agrīnajā Visumā.
MIT pētījumu atbalstīja Nacionālais zinātnes fonds, Jūras pētniecības birojs, NASA un Armijas pētījumu birojs.
Oriģinālais avots: MIT ziņu izlaidums
