Поворотний надлишковий газ ферміонів пронизаний вихорами. Кредитна графіка: MIT. Натисніть, щоб збільшити
Вчені MIT принесли закінчення переохолодження на гарячу гонку серед фізиків: вони стали першими, хто створив новий тип речовини, газ атомів, що демонструє високотемпературну надлишок.
Їх роботи, про які повідомляється у випуску Nature за 23 червня, тісно пов'язані із надпровідністю електронів у металах. Спостереження надлишків може допомогти вирішити затяжні питання щодо високотемпературної надпровідності, яка має широке застосування для магнітів, датчиків та енергоефективного транспорту електроенергії. Професор фізики.
Побачити надлишковий газ настільки чітко - це такий драматичний крок, що Ден Клеппнер, директор Центру ультрахолодних атомів MIT-Гарвард, сказав: «Це не курильний пістолет для надлишкової рідини. Це гармата ».
Протягом декількох років дослідницькі групи у всьому світі вивчали холодні гази так званих ферміонічних атомів з кінцевою метою знайти нові форми надлишків. Надлишковий газ може текти без опору. Його можна чітко відрізнити від звичайного газу при його обертанні. Нормальний газ обертається, як звичайний предмет, але надлишкова рідина може обертатися лише тоді, коли утворює вихори, схожі на міні-торнадо. Це надає обертовій надлишковій зовнішності швейцарського сиру, де отвори - це сердечники міні-торнадо. "Коли ми побачили, як на екрані комп'ютера з'явилися перші картини вихорів, це було просто захоплююче дух", - сказав аспірант Мартін Цвірлейн, згадуючи про вечір 13 квітня, коли команда вперше побачила надлишковий газ. Майже рік команда працювала над тим, щоб зробити магнітні поля та лазерні промені дуже круглими, щоб газ міг встановлюватися в обертання. "Це було як шліфування шишок колеса, щоб зробити його ідеально круглим", - пояснив Цвірлейн.
"У надлишковому рідині, як і у надпровідниках, частинки рухаються у фіксаторі. Вони утворюють одну велику квантово-механічну хвилю », - пояснив Кеттерле. Такий рух дозволяє надпровідникам проводити електричні струми без опору.
Команда MIT змогла переглянути ці надлишкові вихори при надзвичайно холодних температурах, коли ферміонічний газ охолоджувався приблизно до 50 мільярдів градусів Кельвіна, дуже близьких до абсолютного нуля (-273 градусів С або -459 градусів F). "Це може здатися дивним називати надлишковістю при високотемпературній надлишковості з нанокельвіном 50, але важливо - це температура, нормалізована щільністю частинок", - сказав Кеттерле. "Зараз ми досягли найвищої температури коли-небудь". Масштабний до щільності електронів у металі, температура надлишкової рідини в атомних газах була б вищою за кімнатну.
Членами команди Кеттерле були аспіранти МІТ Цвірлейн, Андре Широцек та Крістіан Шунк, всі з яких є членами Центру ультрахолодних атомів, а також колишній аспірант Джаміль Або-Шіер.
Команда спостерігала ферміонну надлишковість в ізотопі літію-6, що містить три протони, три нейтрони та три електрона. Оскільки загальна кількість складових є непарною, літій-6 є ферміоном. Використовуючи методи лазерного та випарного охолодження, вони охолоджували газ, близький до абсолютного нуля. Потім вони захопили газ у фокусі інфрачервоного лазерного променя; електричні та магнітні поля інфрачервоного світла утримували атоми на місці. Останнім кроком було обертання зеленого лазерного променя навколо газу, щоб встановити його в обертання. Тіньова картина хмари показала її надлишкову поведінку: хмару пронизував звичайний масив вихорів, кожен приблизно однакового розміру.
Робота заснована на попередньому створенні групи «MIT» конденсатів Бозе-Ейнштейна - форми речовини, в якій частинки конденсуються і діють як одна велика хвиля. Альберт Ейнштейн передбачив це явище в 1925 році. Вчені пізніше зрозуміли, що конденсація Боза-Ейнштейна і надлишок рідини є тісно пов'язаними.
У листопаді 2003 року незалежними командами в Університеті Колорадо в Боулдері, Університеті Інсбрука в Австрії та в MIT було встановлено конденсацію пар ферміонів Бозе-Ейнштейна. Однак спостерігати за конденсацією Бозе-Ейнштейна - це не те саме, що спостерігати надлишок. Подальші дослідження були проведені цими групами та в Ecole Normale Superieure в Парижі, університеті Дюка та Університеті Райса, але дані про надлишок були неоднозначними або непрямими.
Надлишковий газ Фермі, створений на MIT, може також слугувати легко керованою модельною системою для вивчення властивостей значно щільніших форм ферміонічних речовин, таких як тверді надпровідники, нейтронні зірки або кварково-глюонова плазма, що існували в ранньому Всесвіті.
Дослідження MIT підтримали Національний науковий фонд, Управління військово-морських досліджень, НАСА та Управління армійських досліджень.
Оригінальне джерело: MIT News Release
