Vrteč se tekoči plin fermionov, preluknjanih z vrtinci. Kreditna slika: MIT. Kliknite za povečavo.
Znanstveniki MIT so na vročo dirko med fiziki pripeljali konec superhladnosti: postali so prvi, ki so ustvarili novo vrsto snovi, plin iz atomov, ki kaže visoko temperaturno presežno tekočino.
Njihovo delo, o katerem bomo poročali v junijski številki Nature, je tesno povezano s superprevodnostjo elektronov v kovinah. Opazovanja odvečnih tekočin lahko pomagajo rešiti dolgotrajna vprašanja o visokotemperaturni superprevodnosti, ki ima široko uporabo magnetov, senzorjev in energetsko učinkovitega prenosa električne energije, je dejal Wolfgang Ketterle, nobelov nagrajenec, ki vodi skupino MIT in John John MacArthur Profesor fizike.
Tako jasno videti preveč tekoč plin je tako dramatičen korak, da je Dan Kleppner, direktor Centra za ultrahladne atome MIT-Harvard, rekel: „To ni pištola za kajenje za odvečno tekočino. To je top. "
Raziskovalne skupine po vsem svetu že nekaj let preučujejo hladne pline tako imenovanih fermionskih atomov s končnim ciljem iskanja novih oblik presežne tekočine. Pretečen plin lahko odteka brez upora. Pri vrtenju ga je mogoče jasno ločiti od običajnega plina. Običajni plin se vrti kot navadni predmet, vendar se lahko superfluid vrti le, če tvori vrtince, podobne mini tornadom. To daje vrtljivemu presežku videz švicarskega sira, kjer so luknje jedra mini tornadov. "Ko smo videli, da se na zaslonu računalnika pojavijo prve slike vrtincev, nam je preprosto zadihalo," je dejal diplomant Martin Zwierlein ob spominu na večer 13. aprila, ko je ekipa prvič videla odvečen tekoč plin. Ekipa je skoraj leto dni delala na tem, da so magnetna polja in laserski žarki postali zelo okrogli, da je bilo mogoče plin nastaviti v vrtenju. "Bilo je kot brušenje koščkov s kolesa, da bi bilo popolnoma okroglo," je pojasnil Zwierlein.
"V presežni tekočini in tudi v superprevodnikih se delci premikajo v ključavnici. Ti tvorijo en velik kvantno-mehanski val, "je pojasnil Ketterle. Takšno gibanje omogoča, da superprevodniki prenašajo električne tokove brez upora.
Ekipa MIT si je lahko ogledala te presežne tekočine vrtincev pri ekstremno hladnih temperaturah, ko se je fermionski plin ohladil na približno 50 milijard stopinj Kelvina, zelo blizu absolutne ničle (-273 stopinj C ali -459 stopinj F). "Morda se sliši čudno, če bi pri visokotemperaturni 50-nanokelvinski presežki tekočini lahko imenovali presežno tekočino, pomembno pa je, da je temperatura normalizirana z gostoto delcev," je dejal Ketterle. "Zdaj smo dosegli daleč najvišjo temperaturo doslej." Glede na gostoto elektronov v kovini bi bila temperatura tekočega prehoda v atomskih plinih višja od sobne temperature.
Člani ekipe Ketterle so bili študentje podiplomskega študija MIT Zwierlein, Andre Schirotzek in Christian Schunck, ki so vsi člani Centra za ultrahladne atome, pa tudi nekdanji študent Jamil Abo-Shaeer.
Skupina je opazovala fermionsko presežno tekočino v izotopu litija-6, ki vsebuje tri protone, tri nevtrone in tri elektrone. Ker je skupno število sestavnih delov neparno, je litij-6 fermion. Z lasersko in izhlapevalno tehniko hlajenja so ohladili plin blizu absolutne nič. Nato so plin ujeli v žarišču infrardečega laserskega žarka; električna in magnetna polja infrardeče svetlobe so zadrževala atome. Zadnji korak je bil vrtenje zelenega laserskega žarka okoli plina, da se je vrtel v vrtenje. Senčna slika oblaka je pokazala njegovo presežno vedenje: Oblak je prebodel navadni niz vrtincev, vsak približno enake velikosti.
Delo temelji na prejšnjem ustvarjanju kondenzatov Bose-Einstein, ki jih skupina MIT ustvari kot del velikega vala. Albert Einstein je ta pojav napovedal že leta 1925. Znanstveniki so pozneje spoznali, da sta Bose-Einsteinova kondenzacija in presežna tekočina tesno povezana.
Neodvisne ekipe na Univerzi v Koloradu na Boulderju, Univerzi v Innsbrucku v Avstriji in na MIT so novembra 2003 opazile kondenzacijo parov fermentov Bose-Einstein. Vendar opazovanje kondenzacije Bose-Einsteina ni isto kot opazovanje odvečne tekočine. Nadaljnje študije so bile narejene s temi skupinami in na Ecole Normale Superieure v Parizu, Univerzi Duke in Univerzi Rice, vendar so bili podatki o presežni tekočini dvoumni ali posredni.
Odvečno tekoč plin Fermi, ustvarjen na MIT, lahko služi tudi kot enostavno vodljiv modelni sistem za proučevanje lastnosti veliko gostejših oblik fermionske snovi, kot so trdni superprevodniki, nevtronske zvezde ali kvark-gluonska plazma, ki so obstajali v zgodnjem vesolju.
Raziskavo MIT so podprli Nacionalna znanstvena fundacija, Urad za pomorske raziskave, NASA in Urad za raziskovanje vojske.
Izvirni vir: MIT News Release
