Rotující superfluidní plyn fermionů propíchnutý víry. Obrazový kredit: MIT. Klikni pro zvětšení.
Vědci z MIT přinesli supercool konec vyhřívané rase mezi fyziky: Stali se prvními, kteří vytvořili nový typ hmoty, plyn atomů, který vykazuje vysokoteplotní superfluiditu.
Jejich práce, která má být uvedena v 23. čísle časopisu Nature, úzce souvisí se supravodivostí elektronů v kovech. Pozorování superfluidů může pomoci vyřešit přetrvávající otázky týkající se vysokoteplotní supravodivosti, která má rozsáhlé aplikace pro magnety, senzory a energeticky efektivní přenos elektřiny, řekl Wolfgang Ketterle, nositel Nobelovy ceny, který vede skupinu MIT a který je John D. MacArthur Profesor fyziky.
Když vidíme superfluidní plyn tak jasně, je takový dramatický krok, že Dan Kleppner, ředitel Centra MIT-Harvard pro Ultracold Atoms, řekl: „Toto není kuřácká zbraň pro nadbytečnost. Tohle je dělo. “
Výzkumné skupiny po celém světě již několik let studují studené plyny tzv. Fermionických atomů s konečným cílem nalézt nové formy superfluidity. Superfluidní plyn může proudit bez odporu. Když je točeno, může být jasně odlišeno od běžného plynu. Normální plyn se otáčí jako obyčejný předmět, ale superfluid se může otáčet pouze tehdy, když vytváří víry podobné mini-tornádům. To dává rotujícímu superfluidnímu vzhledu švýcarský sýr, kde otvory jsou jádra mini-tornád. "Když jsme viděli první obrázek vírů na obrazovce počítače, bylo to prostě dech," řekl postgraduální student Martin Zwierlein ve vzpomínce na večer 13. dubna, kdy tým poprvé viděl superfluidní plyn. Téměř rok tým pracoval na tom, aby magnetická pole a laserové paprsky byly velmi kulaté, aby se plyn mohl otáčet. "Bylo to jako broušení hrbolků z kola, aby bylo dokonale kulaté," vysvětlil Zwierlein.
"V superfluidech i v supravodičích se částice pohybují v uzamčení. Tvoří jednu velkou kvantově-mechanickou vlnu, “vysvětlil Ketterle. Takový pohyb umožňuje supravodičům přenášet elektrické proudy bez odporu.
Tým MIT byl schopen vidět tyto superfluidní víry při extrémně nízkých teplotách, když byl fermionický plyn ochlazen na asi 50 miliardtin stupně Kelvina, velmi blízko absolutní nule (-273 ° C nebo -459 ° F). "Může to znít divně, když se superfluidita nazývá superfluidita při 50 nanokelvinech, ale záleží na teplotě normalizované hustotou částic," řekl Ketterle. "Nyní jsme dosáhli zdaleka nejvyšší teploty v historii." S ohledem na hustotu elektronů v kovu by byla teplota superfluidního přechodu v atomových plynech vyšší než teplota místnosti.
Členy týmu Ketterle byli postgraduální studenti MIT Zwierlein, Andre Schirotzek a Christian Schunck, z nichž všichni jsou členy Centra pro ultracold atomy, stejně jako bývalý postgraduální student Jamil Abo-Shaeer.
Tým pozoroval fermionickou superfluiditu v izotopu lithia-6 obsahující tři protony, tři neutrony a tři elektrony. Protože celkový počet složek je lichý, lithium-6 je fermion. Použitím laserového a odpařovacího chlazení ochladili plyn téměř na absolutní nulu. Poté zachytili plyn v ohnisku infračerveného laserového paprsku; elektrická a magnetická pole infračerveného světla držela atomy na místě. Posledním krokem bylo točení zeleného laserového paprsku kolem plynu a jeho uvedení do otáčení. Stínový obrázek mraku ukazoval jeho superfluidní chování: Mrak byl propíchnut pravidelným množstvím vírů, každý o stejné velikosti.
Práce je založena na dřívější tvorbě kondenzátů Bose-Einstein ve skupině MIT, což je forma hmoty, ve které částice kondenzují a působí jako jedna velká vlna. Albert Einstein předpověděl tento jev v roce 1925. Vědci si později uvědomili, že Bose-Einsteinova kondenzace a superfluidita jsou úzce spjaty.
Bose-Einsteinova kondenzace párů fermionů, které byly volně spojeny jako molekuly, byla pozorována v listopadu 2003 nezávislými týmy na University of Colorado v Boulderu, University of Innsbruck v Rakousku a na MIT. Pozorování Bose-Einsteinovy kondenzace však není stejné jako pozorování nadbytečnosti. Tyto skupiny provedly další studie a na Ecole Normale Superieure v Paříži, Duke University a Rice University, ale důkazy o nadbytečnosti byly nejasné nebo nepřímé.
Superfluidní Fermiho plyn vytvořený na MIT může také sloužit jako snadno ovladatelný modelový systém ke studiu vlastností mnohem hustších forem fermionické hmoty, jako jsou pevné supravodiče, neutronové hvězdy nebo kvark-gluonová plazma, které existovaly v raném vesmíru.
Výzkum MIT byl podporován National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA a Army Research Office.
Původní zdroj: MIT News Release
