Вращающийся сверхтекучий газ из фермионов, пронизанный вихрями. Изображение предоставлено MIT. Нажмите, чтобы увеличить.
Ученые из Массачусетского технологического института положили конец разгоревшейся гонке физиков: они первыми создали новый тип материи - атомный газ, обладающий высокотемпературной сверхтекучестью.
Их работа, о которой будет сообщено в номере журнала Nature от 23 июня, тесно связана со сверхпроводимостью электронов в металлах. По словам Вольфганга Кеттерле, лауреата Нобелевской премии, возглавляющего группу Массачусетского технологического института и доктора Джона Д. Макартура, наблюдения за сверхтекучими жидкостями могут помочь решить нерешенные вопросы о высокотемпературной сверхпроводимости, которая имеет широкое применение для магнитов, датчиков и энергоэффективной транспортировки электричества. Профессор физики.
Так ясно увидеть сверхтекучий газ - такой драматический шаг, что Дэн Клеппнер, директор Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, 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 обнаружения новых форм сверхтекучести. Сверхтекучий газ может течь без сопротивления. Его можно четко отличить от обычного газа при вращении. Нормальный газ вращается как обычный объект, но сверхтекучая жидкость может вращаться только тогда, когда образует вихри, похожие на мини-торнадо. Это придает вращающейся сверхтекучей среде вид швейцарского сыра, в котором отверстия являются сердцевинами мини-торнадо. «Когда мы увидели первое изображение вихрей, появившееся на экране компьютера, это просто захватило дух», - сказал аспирант Мартин Цвиерлайн, вспоминая вечер 13 апреля, когда команда впервые увидела сверхтекучий газ. Почти год команда работала над тем, чтобы сделать магнитные поля и лазерные лучи очень круглыми, чтобы газ можно было вращать. «Это было все равно, что отшлифовать неровности колеса, чтобы сделать его идеально круглым», - объяснил Цвиерляйн.
«В сверхтекучих жидкостях, как и в сверхпроводниках, частицы движутся синхронно. Они образуют одну большую квантово-механическую волну », - пояснил Кеттерле. Такое движение позволяет сверхпроводникам проводить электрические токи без сопротивления.
Команда Массачусетского технологического института смогла наблюдать эти сверхтекучие вихри при чрезвычайно низких температурах, когда фермионный газ был охлажден примерно до 50 миллиардных долей Кельвина, что очень близко к абсолютному нулю (-273 ° C или -459 ° F). «Может показаться странным называть сверхтекучесть при 50 нанокельвин высокотемпературной сверхтекучестью, но важна температура, нормированная на плотность частиц», - сказал Кеттерле. «Сейчас мы достигли наивысшей температуры за всю историю». В пересчете на плотность электронов в металле температура сверхтекучего перехода в атомарных газах будет выше комнатной.
Членами команды Кеттерле были аспиранты Массачусетского технологического института Цвиерлайн, Андре Широтцек и Кристиан Шунк, все из которых являются членами Центра ультрахолодных атомов, а также бывший аспирант Джамиль Або-Шаир.
Команда наблюдала фермионную сверхтекучесть в изотопе лития-6, состоящем из трех протонов, трех нейтронов и трех электронов. Поскольку общее количество составляющих нечетное, литий-6 является фермионом. Используя методы лазерного и испарительного охлаждения, они охлаждали газ почти до абсолютного нуля. Затем они захватили газ в фокус инфракрасного лазерного луча; электрические и магнитные поля инфракрасного света удерживали атомы на месте. Последним шагом было вращение зеленого лазерного луча вокруг газа, чтобы он начал вращаться. Теневое изображение облака показало его сверхтекучий характер: облако было пронизано регулярным набором вихрей, каждый примерно одинакового размера.
Работа основана на более раннем создании группой MIT 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.
Конденсация Бозе-Эйнштейна пар фермионов, которые были слабо связаны вместе как молекулы, наблюдалась в ноябре 2003 года независимыми группами в Университете Колорадо в Боулдере, Университете Инсбрука в Австрии и Массачусетском технологическом институте. Однако наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации - это не то же самое, что наблюдение сверхтекучести. Дальнейшие исследования были проведены этими группами и в Ecole Normale Superieure в Париже, Университете Дьюка и Университете Райса, но доказательства 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, существовавшая в ранней Вселенной.
Исследование Массачусетского технологического института было поддержано Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований, НАСА и Управлением армейских исследований.
Первоисточник: Пресс-релиз MIT