Вращающийся сверхтекучий газ фермионов, пронзенный вихрями. Изображение предоставлено MIT. Нажмите, чтобы увеличить.
Ученые из Массачусетского технологического института положили конец переохлаждению в жаркой гонке среди физиков: они стали первыми, кто создал новый тип вещества, газ атомов, который демонстрирует высокотемпературную сверхтекучесть.
Их работа, о которой сообщается в выпуске журнала Nature от 23 июня, тесно связана со сверхпроводимостью электронов в металлах. Наблюдения за сверхтекучими жидкостями могут помочь решить давние вопросы о высокотемпературной сверхпроводимости, которая широко применяется для магнитов, датчиков и энергоэффективного транспорта электроэнергии, сказал Вольфганг Кеттерле, лауреат Нобелевской премии, который возглавляет группу MIT и кто является Джоном Д. Макартуром Профессор физики.
Наблюдение за сверхтекучим газом настолько ясно, является настолько драматичным шагом, что Дэн Клеппнер, директор MIT-Гарвардского центра ультрахолодных атомов, сказал: «Это не дымящийся пистолет для сверхтекучести. Это пушка.
В течение нескольких лет исследовательские группы по всему миру изучали холодные газы так называемых фермионных атомов с конечной целью поиска новых форм сверхтекучести. Сверхтекучий газ может течь без сопротивления. Его можно четко отличить от обычного газа, когда он вращается. Обычный газ вращается как обычный объект, но сверхтекучая жидкость может вращаться только тогда, когда она образует вихри, похожие на мини-торнадо. Это дает вращающемуся сверхтекучему виду швейцарского сыра, где отверстия - ядра мини-торнадо. «Когда мы увидели первое изображение вихрей, появившихся на экране компьютера, оно просто захватывало дух», - сказал аспирант Мартин Цверляйн, вспоминая вечер 13 апреля, когда команда впервые увидела сверхтекучий газ. Почти год команда работала над тем, чтобы магнитные поля и лазерные лучи были очень круглыми, чтобы газ можно было вращать. «Это было похоже на шлифовку ударов колеса, чтобы сделать его идеально круглым», - пояснил Цверляйн.
«В сверхтекучих жидкостях, как и в сверхпроводниках, частицы движутся по стопам. Они образуют одну большую квантово-механическую волну », - объяснил Кеттерле. Такое движение позволяет сверхпроводникам проводить электрические токи без сопротивления.
Команда MIT смогла увидеть эти сверхтекучие вихри при чрезвычайно низких температурах, когда фермионный газ был охлажден примерно до 50 миллиардов градусов Кельвина, очень близко к абсолютному нулю (-273 ° C или -459 ° F). «Может показаться странным называть сверхтекучесть при высокотемпературной сверхтекучести 50 нанокельвинов, но важна температура, нормализованная по плотности частиц», - сказал Кеттерле. «Сейчас мы достигли самой высокой температуры за всю историю». При увеличении плотности электронов в металле температура сверхтекучего перехода в атомарных газах будет выше комнатной.
Членами команды Кеттерле были аспиранты Массачусетского технологического института Цверляйн, Андре Широтцек и Кристиан Шунк, все из которых являются членами Центра ультрахолодных атомов, а также бывший аспирант Джамиль Або-Шаер.
Исследователи наблюдали фермионную сверхтекучесть в изотопе лития-6, состоящем из трех протонов, трех нейтронов и трех электронов. Поскольку общее количество компонентов нечетное, литий-6 является фермионом. Используя лазерные и испарительные методы охлаждения, они охлаждали газ почти до абсолютного нуля. Затем они задержали газ в фокусе инфракрасного лазерного луча; электрическое и магнитное поля инфракрасного света удерживали атомы на месте. Последним шагом было вращение зеленого лазерного луча вокруг газа, чтобы привести его во вращение. Теневое изображение облака показало его сверхтекучее поведение: облако было пронизано регулярным массивом вихрей, каждый примерно одинакового размера.
Работа основана на более раннем создании MIT-группы конденсатов Бозе-Эйнштейна, формы материи, в которой частицы конденсируются и действуют как одна большая волна. Альберт Эйнштейн предсказал это явление в 1925 году. Позже ученые поняли, что конденсация Бозе-Эйнштейна и сверхтекучесть тесно связаны между собой.
Бозе-эйнштейновская конденсация пар фермионов, свободно связанных между собой в виде молекул, наблюдалась в ноябре 2003 года независимыми командами из Университета Колорадо в Боулдере, Университета Инсбрука в Австрии и Массачусетского технологического института. Однако наблюдение конденсации Бозе-Эйнштейна - это не то же самое, что наблюдение сверхтекучести. Дальнейшие исследования проводились этими группами и в Ecole Normale Superieure в Париже, в Университете Дьюка и в Университете Райса, но свидетельства сверхтекучести были неоднозначными или косвенными.
Сверхтекучий ферми-газ, созданный в Массачусетском технологическом институте, также может служить легко управляемой модельной системой для изучения свойств гораздо более плотных форм фермионной материи, таких как твердые сверхпроводники, нейтронные звезды или кварк-глюонная плазма, которые существовали в ранней Вселенной.
Исследования MIT были поддержаны Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований, НАСА и Исследовательским отделом армии.
Первоначальный источник: пресс-релиз MIT
