Un gaz rotativ de superfluid de fermioane străpuns cu vârtejuri. Credit de imagine: MIT. Faceți clic pentru a mări.
Oamenii de știință din MIT au adus un final supercool la o cursă încălzită în rândul fizicienilor: Ei au devenit primii care au creat un nou tip de materie, un gaz de atomi care arată superfluiditate la temperaturi ridicate.
Munca lor, care va fi raportată în numărul 23 iunie al Naturii, este strâns legată de supraconductivitatea electronilor din metale. Observațiile de superfluide pot ajuta la rezolvarea întrebărilor persistente cu privire la superconductivitatea la temperaturi ridicate, care are aplicații pe scară largă pentru magneți, senzori și transporturi de energie eficientă din punct de vedere energetic, a declarat Wolfgang Ketterle, laureat Nobel care conduce grupul MIT și care este John D. MacArthur Profesor de fizică.
Văzând gazul de superfluid atât de clar este un pas atât de dramatic încât Dan Kleppner, directorul Centrului MIT-Harvard pentru Atracți Ultracold, a spus: „Nu este o armă de fumat pentru superfluiditate. Acesta este un tun. "
De câțiva ani, grupuri de cercetare din întreaga lume studiază gazele reci ale așa-numitilor atomi fermionici cu scopul final de a găsi noi forme de superfluiditate. Un gaz superfluid poate curge fără rezistență. Se poate distinge clar de un gaz normal atunci când este rotit. Un gaz normal se rotește ca un obiect obișnuit, dar un superfluid nu se poate roti doar atunci când formează vorturi similare mini-tornadelor. Acest lucru conferă unui superfluid rotativ aspectul brânzei elvețiene, unde găurile sunt miezurile mini-tornadelor. „Când am văzut că prima imagine a vortexurilor apare pe ecranul computerului, a fost pur și simplu uluitor”, a spus studentul absolvent Martin Zwierlein, amintind în seara de 13 aprilie, când echipa a văzut pentru prima dată gazul de superfluid. Timp de aproape un an, echipa lucra la realizarea de câmpuri magnetice și fascicule laser foarte rotunde, astfel încât gazul să poată fi rotit. „Era ca și cum șlefuiești loviturile de pe o roată pentru a-l face perfect rotund”, a explicat Zwierlein.
„În superfluide, precum și în superconductori, particulele se mișcă în blocaj. Ele formează o mare undă cuantic-mecanică ”, a explicat Ketterle. O astfel de mișcare permite superconductorilor să conducă curenți electrici fără rezistență.
Echipa MIT a putut vedea aceste vârtejuri superfluide la temperaturi extrem de reci, când gazul fermionic a fost răcit la aproximativ 50 de miliarde de grade Kelvin, foarte aproape de zero absolut (-273 grade C sau -459 grade F). "Poate părea ciudat să apelezi la superfluiditate la 50 de nanokelvină la o temperatură înaltă, dar ceea ce contează este temperatura normalizată de densitatea particulelor", a spus Ketterle. „Acum am atins de departe cea mai ridicată temperatură.” Scalată până la densitatea electronilor dintr-un metal, temperatura de tranziție a superfluidului în gazele atomice ar fi mai mare decât temperatura camerei.
Membrii echipei Ketterle au fost studenții absolvenți ai MIT Zwierlein, Andre Schirotzek și Christian Schunck, care sunt membri ai Centrului pentru atomii Ultracold, precum și fostul student absolvent Jamil Abo-Shaeer.
Echipa a observat superfluiditatea fermionică în izotopul litiu-6 cuprinzând trei protoni, trei neutroni și trei electroni. Deoarece numărul total de constituenți este impar, litiu-6 este un fermion. Folosind tehnici de racire cu laser și evaporare, au răcit gazul aproape de zero absolut. Apoi au prins gazul în focarul unui fascicul laser infraroșu; câmpurile electrice și magnetice ale luminii infraroșii țineau atomii la locul lor. Ultimul pas a fost să rotiți un fascicul laser verde în jurul gazului pentru a-l seta în rotație. O imagine în umbră a norului a arătat comportamentul său superfluid: Norul a fost străpuns de o serie de vortice, fiecare aproximativ de aceeași dimensiune.
Lucrarea se bazează pe crearea anterioară a grupului MIT de condensate Bose-Einstein, o formă de materie în care particulele se condensează și acționează ca un val mare. Albert Einstein a prezis acest fenomen în 1925. Oamenii de știință și-au dat seama mai târziu că condensarea și superfluiditatea Bose-Einstein sunt strâns legate.
Conducerea Bose-Einstein a perechilor de fermioni care s-au legat între ele ca molecule a fost observată în noiembrie 2003 de echipe independente de la Universitatea Colorado din Boulder, Universitatea Innsbruck din Austria și MIT. Cu toate acestea, observarea condensului Bose-Einstein nu este aceeași cu respectarea superfluidității. Studii suplimentare au fost făcute de aceste grupuri și de la Ecole Normale Superieure din Paris, Universitatea Duke și Universitatea Rice, dar dovezile pentru superfluiditate au fost ambigue sau indirecte.
Gazul Fermi superfluid creat la MIT poate servi, de asemenea, ca un sistem de model ușor de controlat pentru a studia proprietățile formelor mult mai dense ale materiei fermionice, cum ar fi supraconductori solizi, stele neutronice sau plasma de quark-gluon care a existat în universul timpuriu.
Cercetarea MIT a fost susținută de Fundația Națională de Știință, Oficiul de Cercetări Navale, NASA și Biroul de Cercetare al Armatei.
Sursa originală: Comunicat de presă al MIT
