Örvényekkel áttört fermionok forgó szuperfolyékony gáza. A kép jóváírása: MIT. Kattints a kinagyításhoz.
Az MIT tudósai szuperhűvös véget vetettek a fizikusok közötti heves versenyfutásnak: ők lettek az elsők, akik létrehoztak egy új típusú anyagot, egy atomból álló gázt, amely magas hőmérsékletű szuperfolyékonyságot mutat.
Munkájuk, amelyről a Nature június 23-i számában számolnak be, szorosan összefügg a fémek elektronjainak szupravezetésével. A szuperfolyadékok megfigyelése segíthet megoldani a mágnesek, érzékelők és az energiahatékony villamosenergia-szállítás széles körben elterjedt alkalmazásait a magas hőmérsékletű szupravezetéssel kapcsolatban – mondta Wolfgang Ketterle, a Nobel-díjas, az MIT csoport vezetője és John D. MacArthur. fizika professzor.
A szuperfolyékony gáz ilyen tisztánlátása olyan drámai lépés, hogy Dan Kleppner, az MIT-Harvard Ultrahideg Atomok Központjának igazgatója azt mondta: „Ez nem füstölgő pisztoly a szuperfolyékonyságért. Ez egy ágyú.”
A kutatócsoportok világszerte több éve vizsgálják az úgynevezett fermionos atomok hideg gázait azzal a céllal, hogy a szuperfolyékonyság új formáit találják meg. A szuperfolyékony gáz ellenállás nélkül áramolhat. Forgatva egyértelműen megkülönböztethető a normál gáztól. A normál gáz úgy forog, mint egy közönséges tárgy, de a szuperfolyadék csak akkor tud forogni, ha mini-tornádókhoz hasonló örvényeket képez. Ez egy forgó szuperfolyadékot kölcsönöz a svájci sajtnak, ahol a lyukak a minitornádók magjai. 'Amikor megláttuk az örvények első képét a számítógép képernyőjén, az egyszerűen lélegzetelállító volt' - mondta Martin Zwierlein végzős hallgató, amikor felidézte az április 13-i estét, amikor a csapat először látta a szuperfolyékony gázt. A csapat csaknem egy éven át azon dolgozott, hogy a mágneses mezőket és a lézersugarat nagyon gömbölyűvé tegyék, hogy a gázt forgásba lehessen állítani. „Olyan volt, mintha egy kerék ütéseit lecsiszolnák, hogy tökéletesen kerek legyen” – magyarázta Zwierlein.
„A szuperfolyadékokban, csakúgy, mint a szupravezetőkben, a részecskék lépésben mozognak. Egy nagy kvantummechanikai hullámot alkotnak” – magyarázta Ketterle. Egy ilyen mozgás lehetővé teszi, hogy a szupravezetők ellenállás nélkül hordozzák az elektromos áramokat.
Az MIT csapata rendkívül hideg hőmérsékleten is képes volt megfigyelni ezeket a szuperfolyékony örvényeket, amikor a fermionos gázt körülbelül 50 milliárd Kelvin-fok értékre hűtötték le, ami nagyon közel áll az abszolút nullához (-273 C vagy -459 F F). 'Furcsán hangzik az 50 nanokelvines szuperfluiditást magas hőmérsékletű szuperfolyékonyságnak nevezni, de ami számít, az a részecskék sűrűségével normalizált hőmérséklet' - mondta Ketterle. 'Most elértük a valaha volt legmagasabb hőmérsékletet.' A fémben lévő elektronok sűrűségére skálázva a szuperfluid átmeneti hőmérséklete atomi gázokban magasabb lenne, mint a szobahőmérséklet.
Ketterle csapatának tagjai az MIT végzős hallgatói, Zwierlein, Andre Schirotzek és Christian Schunck voltak, mindannyian az Ultracold Atomok Központjának tagjai, valamint a korábbi végzős hallgató, Jamil Abo-Shaeer.
A csapat fermionos szuperfluiditást figyelt meg a három protonból, három neutronból és három elektronból álló lítium-6 izotópban. Mivel az összetevők összszáma páratlan, a lítium-6 egy fermion. Lézeres és evaporatív hűtési technikákkal az abszolút nulla közelébe hűtötték a gázt. Ezután befogták a gázt egy infravörös lézersugár fókuszába; az infravörös fény elektromos és mágneses tere a helyén tartotta az atomokat. Az utolsó lépés az volt, hogy zöld lézersugarat forgattak a gáz körül, hogy forgásba állítsák. A felhő árnyékképe a szuperfolyékony viselkedését mutatta: a felhőt szabályos örvénycsoport lyukasztotta át, mindegyik körülbelül azonos méretű.
A munka az MIT-csoport Bose-Einstein kondenzátumainak korábbi létrehozásán alapul, amely anyag egy olyan formája, amelyben a részecskék kondenzálódnak és egyetlen nagy hullámként működnek. Albert Einstein 1925-ben jósolta meg ezt a jelenséget. A tudósok később rájöttek, hogy a Bose-Einstein kondenzáció és a szuperfolyékonyság szorosan összefügg.
2003 novemberében a Boulder-i Colorado Egyetem, az ausztriai Innsbrucki Egyetem és az MIT független csapatai 2003 novemberében figyelték meg a Bose-Einstein-féle kondenzációt olyan fermionpárok között, amelyek lazán kötődtek egymáshoz, mint molekulák. A Bose-Einstein kondenzáció megfigyelése azonban nem azonos a szuperfluiditás megfigyelésével. Ezek a csoportok, valamint a párizsi Ecole Normale Superieure, a Duke Egyetem és a Rice Egyetem további vizsgálatokat végeztek, de a szuperfolyékonyságra vonatkozó bizonyítékok kétértelműek vagy közvetettek voltak.
Az MIT-ben létrehozott szuperfolyékony Fermi-gáz könnyen irányítható modellrendszerként is szolgálhat a fermionos anyagok sokkal sűrűbb formáinak tulajdonságainak tanulmányozásához, mint például a szilárd szupravezetők, neutroncsillagok vagy a korai univerzumban létező kvark-gluon plazma.
Az MIT-kutatást a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Haditengerészeti Kutatási Hivatal, a NASA és a Hadsereg Kutatási Iroda támogatta.
Eredeti forrás: MIT hírközlemény
