Въртящ се свръхтечен газ от фермиони, пронизан с вихри. Кредит за изображение: MIT. Щракнете за уголемяване
Учените от MIT доведоха край на преохлаждането към разгорещена надпревара сред физиците: Те станаха първите, които създадоха нов тип материя, газ от атоми, който показва високотемпературна свръхтечност.
Тяхната работа, която ще бъде докладвана в броя на Nature за 23 юни, е тясно свързана със свръхпроводимостта на електроните в металите. Наблюденията на свръхфлуидите могат да помогнат за решаване на дългосрочни въпроси относно високотемпературната свръхпроводимост, която има широко приложение за магнити, сензори и енергийно ефективен транспорт на електроенергия, заяви Волфганг Кеттерле, Нобелов лауреат, който ръководи групата на MIT и който е Джон Д. Макартур Професор по физика.
Виждането на свръхтечния газ е толкова драматична стъпка, че Дан Клеппнер, директор на MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, каза: „Това не е пушек за пушене за свръхтечност. Това е оръдие. "
От няколко години изследователски групи по света изучават студени газове от така наречените фермионни атоми с крайна цел да намерят нови форми на свръхтечност. Свръхтечен газ може да тече без съпротивление. Може да се разграничи ясно от нормален газ, когато се завърти. Нормалният газ се върти като обикновен предмет, но свръхфлуид може да се върти само когато образува вихри, подобни на мини-торнадо. Това придава на въртящ се свръхтечност вид на швейцарско сирене, където дупките са сърцевините на мини-торнадото. „Когато видяхме първата снимка на вихрите да се появи на екрана на компютъра, тя просто спираше дъх“, казва аспирантът Мартин Цвиерлейн припомняйки вечерта на 13 април, когато екипът за първи път видя свръхтечния газ. Почти една година екипът работеше върху правенето на магнитни полета и лазерни лъчи много кръгли, така че газът да може да се настройва на въртене. „Това беше като шлифоване на неравностите на колело, за да стане перфектно кръгло“, обясни Цвиерлейн.
„В свръхтечностите, както и в свръхпроводниците, частиците се движат в заключване. Те образуват една голяма квантово-механична вълна “, обясни Кетърле. Такова движение позволява на свръхпроводниците да пренасят електрически токове без съпротивление.
Екипът на MIT успя да види тези свръхтечни вихри при изключително студени температури, когато фермионовият газ се охлажда до около 50 милиарда градуса Келвин, много близо до абсолютна нула (-273 градуса С или -459 градуса F). „Може да звучи странно да се нарича свръхтечност при 50-нанокелвинова високотемпературна свръхтечност, но важното е температурата, нормализирана от плътността на частиците“, каза Кетърле. „Вече постигнахме най-високата температура досега.“ Мащабирана до плътността на електроните в даден метал, температурата на свръхтечен преход в атомните газове ще бъде по-висока от стайната температура.
Членовете на екипа на Ketterle бяха аспирантите на MIT Zwierlein, Andre Schirotzek и Christian Schunck, всички от които са членове на Центъра за ултра студени атоми, както и бившият аспирант Джамил Або-Шейер.
Екипът наблюдава фермионна свръхтечност в изотопа на литий-6, включващ три протона, три неутрона и три електрона. Тъй като общият брой на съставните части е нечетен, литий-6 е фермион. Използвайки лазерни и изпарителни техники за охлаждане, те охлаждаха газа близо до абсолютна нула. След това те хванаха газта във фокуса на инфрачервен лазерен лъч; електрическите и магнитните полета на инфрачервената светлина задържаха атомите на място. Последната стъпка беше да завъртите зелен лазерен лъч около газа, за да го настроите на въртене. Картина в сянка на облака показа нейното свръхтечно поведение: Облакът беше пробит от обикновен масив от вихри, всеки с еднакъв размер.
Работата се основава на по-ранното създаване на кондензатите от Бозе-Айнщайн от групата MIT, форма на материята, при която частиците се кондензират и действат като една голяма вълна. Алберт Айнщайн прогнозира това явление през 1925 г. По-късно учените разбраха, че кондензацията на Бозе-Айнщайн и свръхтечността са в тясна връзка.
Кондензация на Бозе-Айнщайн на двойки фермиони, които са свързани непрекъснато като молекули, беше наблюдавана през ноември 2003 г. от независими екипи в Университета на Колорадо в Боулдър, Университета в Инсбрук в Австрия и в MIT. Наблюдаването на кондензация на Бозе-Айнщайн обаче не е същото като наблюдаването на свръхтечност. По-нататъшни проучвания са направени от тези групи и в Ecole Normale Superieure в Париж, Университета на Дюк и Райс, но доказателствата за свръхтечност са двусмислени или косвени.
Свръхтечният Ферми газ, създаден в MIT, може да служи като лесно контролируема моделна система за изучаване на свойствата на много по-плътни форми на фермионни вещества, като твърди свръхпроводници, неутронни звезди или кварк-глюонна плазма, съществували в ранната Вселена.
Изследването на MIT беше подкрепено от Националната научна фондация, Службата за военноморски изследвания, НАСА и Службата за армейски изследвания.
Оригинален източник: MIT News Release
