Rotujúci superfluidný plyn fermionov prepichnutý vírmi. Obrazový kredit: MIT. Klikni na zväčšenie.
Vedci z MIT priniesli koniec supercoolu do horúcej rasy medzi fyzikmi: Stali sa prvými, ktorí vytvorili nový typ hmoty, plyn atómov, ktorý vykazuje superfluiditu pri vysokej teplote.
Ich práca, o ktorej sa má hovoriť v čísle Nature z 23. júna, úzko súvisí so supravodivosťou elektrónov v kovoch. Pozorovania superfluidov môžu pomôcť vyriešiť pretrvávajúce otázky týkajúce sa vysokoteplotnej supravodivosti, ktorá má rozsiahle aplikácie pre magnety, senzory a energeticky efektívny prenos elektriny, uviedol laureát Nobelovej ceny Wolfgang Ketterle, ktorý stojí v čele skupiny MIT a ktorý je John D. MacArthur. Profesor fyziky.
Vidieť superfluidný plyn tak jasne je taký dramatický krok, že Dan Kleppner, riaditeľ strediska MIT-Harvard pre ultracoldské atómy, povedal: „Toto nie je fajčiarska pištoľ pre superfluiditu. Toto je delo. “
Výskumné skupiny na celom svete už niekoľko rokov študujú studené plyny tzv. Fermionických atómov s konečným cieľom nájsť nové formy nadúvania. Superfluidný plyn môže prúdiť bez odporu. Pri rotácii sa dá zreteľne odlíšiť od bežného plynu. Normálny plyn rotuje ako obyčajný predmet, ale superfluid sa môže otáčať iba vtedy, keď vytvára víry podobné mini-tornádom. To dáva rotujúcemu superfluidnému vzhľadu švajčiarsky syr, kde sú diery jadrámi mini tornád. "Keď sme videli prvú fotku vírov, ktoré sa objavili na obrazovke počítača, bolo to jednoducho úchvatné," uviedol postgraduálny študent Martin Zwierlein, keď pripomenul večer 13. apríla, keď tím prvýkrát uvidel superfluidný plyn. Takmer rok pracoval tím na tom, aby magnetické polia a laserové lúče boli veľmi okrúhle, aby sa plyn mohol otáčať. "Bolo to ako brúsenie hrčiek z kolesa, aby bolo dokonale okrúhle," vysvetlil Zwierlein.
„V superfluidoch, ako aj v supravodičoch, sa častice pohybujú v blokáde. Tvoria jednu veľkú kvantovo-mechanickú vlnu, “vysvetlil Ketterle. Takýto pohyb umožňuje supravodičom prenášať elektrické prúdy bez odporu.
Tím MIT bol schopný vidieť tieto superfluidné víry pri extrémne nízkych teplotách, keď sa fermionický plyn ochladil na asi 50 miliárd sekúnd Kelvina, veľmi blízko k absolútnej nule (-273 ° C alebo -459 ° F). "Môže to znieť čudne, keď sa nazýva superfluidita pri superfluidite pri vysokej teplote 50 nanokelvinov, ale na čom záleží, je teplota normalizovaná hustotou častíc," uviedol Ketterle. "Teraz sme dosiahli zďaleka najvyššiu teplotu, akú kedy bola." V dôsledku zvýšenia hustoty elektrónov v kovoch by bola teplota superfluidného prechodu v atómových plynoch vyššia ako teplota miestnosti.
Členmi tímu Ketterle boli postgraduálni študenti MIT Zwierlein, Andre Schirotzek a Christian Schunck, z ktorých všetci sú členmi Centra pre ultracoldové atómy, ako aj bývalý postgraduálny študent Jamil Abo-Shaeer.
Tím pozoroval fermionickú superfluiditu v izotope lítium-6 obsahujúcom tri protóny, tri neutróny a tri elektróny. Pretože celkový počet zložiek je nepárny, lítium-6 je fermión. Použitím laserového a odparovacieho chladenia ochladzovali plyn takmer na absolútnu nulu. Potom zachytili plyn v ohnisku infračerveného laserového lúča; elektrické a magnetické polia infračerveného svetla držali atómy na svojom mieste. Posledným krokom bolo pretočenie zeleného laserového lúča okolo plynu, aby sa dostal do rotácie. Tieňový obraz mraku ukázal svoje superfluidné správanie: Mrak bol prepichnutý pravidelným radom vírov, každý približne rovnakej veľkosti.
Práca je založená na skoršom vytvorení kondenzátov Bose-Einstein zo skupiny MIT, čo je forma hmoty, v ktorej častice kondenzujú a pôsobia ako jedna veľká vlna. Albert Einstein predpovedal tento jav v roku 1925. Vedci si neskôr uvedomili, že kondenzácia a superfluidita Bose-Einstein sú úzko spojené.
Kondenzácia párov fermionov Bose-Einstein, ktoré boli navzájom voľne spojené ako molekuly, bola v novembri 2003 pozorovaná nezávislými tímami na University of Colorado v Boulder, University of Innsbruck v Rakúsku a na MIT. Pozorovanie Bose-Einsteinovej kondenzácie však nie je to isté ako pozorovanie superfluidity. Tieto skupiny a na Ecole Normale Superieure v Paríži, Duke University a Rice University uskutočnili ďalšie štúdie, ale dôkazy o nadbytočnosti boli nejasné alebo nepriame.
Superfluidný Fermiho plyn vytvorený v MIT môže tiež slúžiť ako ľahko regulovateľný modelový systém na štúdium vlastností oveľa hustejších foriem fermionickej hmoty, ako sú pevné supravodiče, neutrónové hviezdy alebo kvark-gluónová plazma, ktoré existovali v ranom vesmíre.
Výskum MIT podporovala Národná vedecká nadácia, Úrad námorného výskumu, NASA a Úrad pre výskum armády.
Pôvodný zdroj: MIT News Release
