Rotirajući suvi fluid tekući fermioni probijeni vrtlozima. Kreditna slika: MIT. Klikni za veću sliku
Znanstvenici s MIT-a donijeli su kraj superhlade vrućoj utrci među fizičarima: postali su prvi koji su stvorili novu vrstu materije, plin atoma koji pokazuje visoku temperaturu superfluida.
Njihov je rad, o kojem će biti izviješteno u broju Nature za 23. lipanj, usko povezan s superprevodljivošću elektrona u metalima. Primjećivanje viška tekućine može pomoći riješiti dugotrajna pitanja o visokotemperaturnoj supravodljivosti, koja ima široku primjenu za magnete, senzore i energetski učinkovit transport električne energije, rekao je Wolfgang Ketterle, nobelovac koji vodi MIT-ovu grupu i John John MacArthur Profesor fizike.
Vidjeti tako tekući plin tako jasno dramatičan je korak da je Dan Kleppner, direktor MIT-Harvard Centra za ultrahladne atome, rekao: „Ovo nije pušač za pušenje zbog suvišne tekućine. Ovo je top. "
Već nekoliko godina istraživačke skupine širom svijeta proučavaju hladne plinove takozvanih fermionskih atoma s krajnjim ciljem pronalaženja novih oblika suvišne tekućine. Izlučni plin može teći bez otpora. Može se jasno razlikovati od normalnog plina kada se rotira. Normalni plin rotira se poput uobičajenog predmeta, ali suvišni fluid može se okretati samo kad formira vrtloge slične mini tornadima. To daje rotirajući suvišni fluid švicarskog sira, gdje su rupe jezgre mini-tornada. "Kad smo vidjeli da se na vrtu računala pojavljuju prve slike vrtloga, jednostavno nam je oduzimalo dah", rekao je diplomski student Martin Zwierlein prisjećajući se večeri 13. travnja, kada je tim prvi put vidio višak plina. Gotovo godinu dana tim je radio na tome da magnetska polja i laserske zrake postanu vrlo okrugli kako bi se plin mogao zakretati u rotaciji. "Bilo je poput brušenja izbočina s kotača kako bi se savršeno okruglo", objasnio je Zwierlein.
"U tekućinama, kao i u superprevodnicima, čestice se kreću u zatvorenom koraku. Oni formiraju jedan veliki kvantno-mehanički val ", objasnio je Ketterle. Takav pokret omogućuje superprevodnicima da nose električnu struju bez otpora.
Tim MIT-a uspio je vidjeti ove superfluidne vrtloge pri ekstremno hladnim temperaturama, kada se fermionski plin ohladio na oko 50 milijarda stupnjeva Kelvina, vrlo blizu apsolutne nule (-273 stupnjeva C ili -459 stupnjeva F). "Možda zvuči čudno nazvati superfluidnost pri 50 nanokelvin-skoj visokoj temperaturi, ali ono što je važno je temperatura normalizirana gustoćom čestica", rekao je Ketterle. "Sada smo postigli daleko najveću temperaturu ikad." Smanjena do gustoće elektrona u metalu, temperatura prelazne tekućine u atomskim plinovima bila bi viša od sobne temperature.
Ketterleovi članovi bili su studenti MIT-a Zwierlein, Andre Schirotzek i Christian Schunck, koji su svi članovi Centra za ultrahladne atome, kao i bivši diplomski student Jamil Abo-Shaeer.
Tim je uočio fermionsku superfluidnost u litij-6 izotopu koji sadrži tri protona, tri neutrona i tri elektrona. Budući da je ukupan broj sastojaka neparan, litij-6 je fermion. Koristeći se laserskim i evaporativnim tehnikama hlađenja, hladili su plin blizu apsolutne nule. Potom su zarobili plin u fokusu infracrvenog laserskog snopa; električno i magnetsko polje infracrvene svjetlosti zadržavalo je atome na mjestu. Posljednji korak bio je okretanje zelenog laserskog snopa oko plina kako bi ga se postavilo u rotaciju. Slika sjena oblaka pokazala je njegovo suvišno ponašanje: oblak je probijen redovitim nizom vrtloga, svaki otprilike iste veličine.
Rad se temelji na ranijem stvaranju kondenzata Bose-Einsteina u grupi MIT, obliku materije u kojoj se čestice kondenziraju i djeluju kao jedan veliki val. Albert Einstein predvidio je taj fenomen 1925. Znanstvenici su kasnije shvatili da su Bose-Einsteinova kondenzacija i suvišna tekućina blisko povezani.
Bose-Einsteinova kondenzacija parova fermiona koji su se lagano vezali kao molekule primijetili su u studenom 2003. godine neovisni timovi na Sveučilištu Colorado u Boulderu, Sveučilištu u Innsbrucku u Austriji i na MIT-u. Međutim, promatranje Bose-Einsteinove kondenzacije nije isto što i promatranje suvišne tekućine. Daljnje su studije radile ove skupine i na Ecole Normale Superieure u Parizu, na Sveučilištu Duke i na Sveučilištu Rice, ali dokazi o suvišnoj tečnosti bili su dvosmisleni ili neizravni.
Suvišak tekućeg Fermi plina stvoren u MIT-u može poslužiti i kao model upravljanja sustavom za proučavanje svojstava znatno gušćih oblika fermionske tvari poput čvrstih supravodiča, neutronskih zvijezda ili kvark-gluonske plazme koji su postojali u ranom svemiru.
Istraživanje MIT podržali su Nacionalna zaklada za znanost, Ured za pomorska istraživanja, NASA i Vojni istraživački ured.
Izvorni izvor: MIT News Release
