Ανακαλύφθηκε το πιο ψυχρό αντικείμενο στον κόσμο

Από σελίδα του NewScientist, 12 Σεπτεμβρίου 2003

Το πιο ψυχρό αντικείμενο στον κόσμο είναι τώρα ένα νέφος ατόμων νατρίου σε ένα εργαστήριο στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης.

Οι φυσικοί από το κέντρο για τα άκρως ψυχρά άτομα στο MIT του Χάρβαρντ, έχουν καταψύξει 2500 άτομα νατρίου σε θερμοκρασία μόλις μισού δισεκατομμυριοστού του απόλυτου μηδενός, θερμοκρασία στην οποία κανένας δεν μπορεί να φτάσει.

"Τίποτα γνωστό αντικείμενο στο Σύμπαν δεν είναι τόσο ψυχρό", λέει ο Aaron Leanhardt, ο οποίος καθοδήγησε την έρευνα. Ακόμη και στο βαθύ διάστημα η θερμοκρασία είναι έξι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη.

"Το παλαιό ρεκόρ για τη χαμηλότερη  θερμοκρασία που προκλήθηκε από τον άνθρωπο δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, έτσι ελπίζουμε ότι η δημοσίευση του αποτελέσματος αυτού στο Science θα θεωρηθεί αρκετά καλό για να το αποδεχτεί προς δημοσίευση το βιβλίο Guiness".

Για να ψύξει τα άτομα η ομάδα τα παγίδεψε ισορροπώντας τη βαρύτητα και τη μαγνητική δύναμη, κατόπιν άφησε το αέριο να διασταλεί. Σε ένα αέριο, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης ταχύτητα της κίνησης των ατόμων. Όταν το αέριο διαστέλλεται τα άτομα απομακρύνονται και επιβραδύνονται - χαμηλώνοντας έτσι τη θερμοκρασία.

Σε αυτό το πείραμα, τα άτομα είχαν μια μέση ταχύτητα κίνησης μόνο ένα χιλιοστό ανά δευτερόλεπτο ώσπου έπεσε η θερμοκρασία σε 450 picokelvin.

Τα ατομικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο χρησιμοποιώντας τη συχνότητα των πυρηνικών μεταβάσεων μέσα στα άτομα. Όταν τα άτομα είναι θερμά, η κίνησή τους προκαλεί διακύμανση της συχνότητας. Τα πιο ψυχρά άτομα όμως θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ακριβέστερους χρόνους.

Επίσης, όταν τα άτομα είναι τόσο ψυχρά όλα τους βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση - σχηματίζοντας έτσι έναν ιδιαίτερο τύπο ύλης που είναι γνωστή ως συμπύκνωμα Bose Einstein. Αυτή η μορφή της ύλης χρησιμοποιείται για τη μελέτη των κβαντικών φαινομένων.

Στην επόμενη σειρά πειραμάτων η ομάδα πάντως θα παρατηρήσει τι συμβαίνει όταν τα εξαιρετικά ψυχρά άτομα συντριβούν σε έναν τοίχο που διατηρείται σε μια θερμοκρασία δωματίου. Θα κολλήσουν, ή θα αναπηδήσουν;

Περιοδικό αναφοράς: Science (vol 301, p 1513)

Συμπύκνωση Bose-Einstein (BEC)

Είναι γνωστό ότι τα αέρια όταν ψύχονται αρχικά υγροποιοιούνται και στη συνέχεια στερεοποιούνται. Όταν όμως αραιό αέριο μποζονίων (10^-11 Torr) ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από 1μK), τότε δημιουργείται η συμπύκνωση Bose - Einstein που είναι μιά άλλη φάση της ύλης.

Στην φάση αυτή, το μήκος κύματος κατά de Broglie των ατόμων λ=^h/p, λόγω της μικρής ταχύτητας των ατόμων γίνεται πάρα πολύ μικρό που  υπερβαίνει το ενδοατομικό διάστημα. Έτσι έχουν όλα τα άτομα ενιαία κυματοσυνάρτηση.

Επειδή τα άτομα είναι μποζόνια - που είναι αυτά με spin ακέραιο πολλαπλάσιο της ποσότητας h/2p - όπου h είναι η σταθερά του Planck  - έχουν όλα καταρρεύσει στην ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό δίνει στη συμπύκνωση πολλές ασυνήθιστες κβαντικές ιδιότητες.

Τέτοια παραδείγματα συμπυκνώσεων, που τα άτομα έχουν ενιαία κυματοσυνάρτηση, είναι τα ζεύγη ατόμων Cooper της υπερρευστότητας και τα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper της υπεραγωγιμότητας.

Για πρώτη φορά συσσωμάτωμα Bose-Einstein παρατηρήθηκε σε άτομα ρουβιδίου Rb. Αφού με μικρή θέρμανση άτομα Rb εξαερωθούν εν συνεχεία μερικά άτομα του επιβραδύνονται με την εφαρμογή δέσμης laser αντίθετης διεύθυνσης. Τα άτομα τότε αποκτούν ταχύτητες μερικών cm/s που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία μερικών μΚ.

Αν συγχρόνως παγιδεύσουμε τα άτομα του Rb σε μαγνητικό πεδίο τότε ακινητοποιούνται ακόμη περισσότερο (πρακτικά ακίνητα) και η θερμοκρασία ελαττώνεται σε 200nK. Το πρώτο λοιπόν συσσωμάτωμα είχε διαστάσεις 10μm και αποτελούνταν από 2000 άτομα που επέζησαν για 15 sec.