Οι φυσικοί βρίσκονται κοντά στη πραγματοποίηση μιας νέας κατάστασης της ύλης

Από το περιοδικό Scientific American, Οκτώβριος 2003

Αρκετές ερευνητικές ομάδες βρίσκονται σε αγώνα δρόμου για να δημιουργήσουν στο εργαστήριο μικροσκοπικά δείγματα από υπέρ-ψυχρά αέρια. Αν το πετύχουν, θα γίνει εφικτή η πειραματική μελέτη κάποιων διαδικασιών, που μέχρι τώρα ανήκουν στη σφαίρα της θεωρίας. Πρόκειται για μια υπέρ-ρευστή κατάσταση της ύλης, η οποία προβλέπεται να συμβαίνει όταν κβαντικά σωματίδια συζευγνύονται και συμπεριφέρονται ως μια ενιαία ποσότητα ρευστού. Αυτό μπορεί να συμβαίνει σε αντικείμενα τόσο διαφορετικά μεταξύ τους όπως οι υπεραγωγοί, οι ατομικοί πυρήνες και τα αστέρια νετρονίων.

ΥΠΕΡΡΕΥΣΤΟ; Ένα υπέρ-ψυχρό αέριο από άτομα λιθίου-6, αρχικά συμπιέστηκε σε λεπτό κύλινδρο και όταν αφέθηκε εκτονώθηκε ακτινικά. Το αποτέλεσμα αυτό είναι ενδεικτικό αλλά όχι αποδεικτικό της υπέρ-ρευστής κατάστασης. Η ακολουθία των εικόνων εκτυλίσσεται από 0.1 έως 2.0 milliseconds αφότου αφέθηκε το αέριο ελεύθερο. ( Η εικόνα ανήκει στον: JOHN E. THOMAS του πανεπιστημίου Duke)

Αυτή η υπέρ-ρευστή κατάσταση περιλαμβάνει μια μεγάλη τάξη κβαντικών σωματιδίων που είναι φερμιόνια. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, όλα τα σωματίδια της φύσης είναι είτε μποζόνια είτε φερμιόνια.

Ο διαφορετικός χαρακτήρας αυτών των δύο τάξεων γίνεται περισσότερο εμφανής στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες: Τα μποζόνια συγκεντρώνονται όλα σε μια κβαντική κατάσταση, σχηματίζοντας ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein. Τα φερμιόνια αντίθετα δρουν ανεξάρτητα και δεν μπορούν δύο από αυτά να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση.

Όσο κατεβαίνουμε σε θερμοκρασία, τα φερμιόνια καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, αλλά πάντως βρίσκουμε μόνο ένα σε κάθε κατάσταση, κάπως σαν τους ανθρώπους που συνωστίζονται στα σκαλοπάτια μιας στενής σκάλας.

Η κατάσταση αυτή στην οποία οι περισσότερες από τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις είναι κατειλημμένες από ένα φερμιόνιο η κάθε μια, λέγεται εκφυλισμένο αέριο Fermi. 

Το 1999 η Deborah S. Jin και ο Brian DeMarco στο JILA στο Boulder, του Colorado., παρήγαγαν το πρώτο εκφυλισμένο αέριο Fermi από άτομα σ' ένα μικροσκοπικό νέφος ατόμων Καλίου μέσα σε μια μαγνητική παγίδα. Αλλά ένα τέτοιο εκφυλισμένο αέριο είναι μόνο η μισή ιστορία.

Σε παρόμοια εκφυλισμένα συστήματα που δημιουργούνται στο υγρό ήλιο-3 και μεταξύ των ηλεκτρονίων των υπεραγωγών, συμβαίνει κάτι καινούργιο: Μερικά από τα φερμιόνια συνδέονται σε ζευγάρια που λέγονται ζεύγη Cooper. Τα ζευγάρια αυτά, που είναι πια μποζόνια, σχηματίζουν ένα υπέρ-ρευστό όμοιο μ' ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein. Στο ήλιο-3 το συμπύκνωμα αυτό είναι υπεύθυνο για τις ιδιότητες του υπέρ-ρευστού. Σ' έναν υπεραγωγό το συμπύκνωμα αυτό είναι που επιτρέπει τη διέλευση του ρεύματος χωρίς αντίσταση. 

Μπορεί μια τέτοια υπέρ-ρευστή κατάσταση να σχηματιστεί σε αέρια φερμιονικά συστήματα; Η θεωρία προβλέπει ότι τα ζεύγη Cooper από άτομα συνήθως σχηματίζονται σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από αυτές που απαιτούνται για τον εκφυλισμό, μια θερμοκρασία που μοιάζει εξωπραγματική για να επιτευχθεί με τα σημερινά μέσα.

Πρόσφατα όμως υποδείχθηκε μια εναλλακτική μέθοδος βασισμένη στο γεγονός ότι ο σχηματισμός των ζευγαριών Cooper δεν εξαρτάται ακριβώς μόνο από τη θερμοκρασία, αλλά επίσης και από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων.

Έτσι αντί να ψύξουμε περισσότερο το αέριο, γιατί να μην αυξήσουμε την αλληλεπίδραση; Η Φύση μας παρέχει ευτυχώς ένα τρόπο για ν' αυξήσουμε την αλληλεπίδραση: εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο κατάλληλης έντασης για να δημιουργήσουμε τον λεγόμενο συντονισμό Feshbach, ο οποίος γεννάει μια ισχυρή ελκτική ή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων. (Για το σχηματισμό των ζευγαριών Cooper χρειαζόμαστε ελκτική δύναμη.) 

Στο τέλος του 2002 μια ομάδα υπό τον John E. Thomas στο πανεπιστήμιο Duke χρησιμοποίησε αυτές τις τεχνικές με άτομα λιθίου-6 για να παράγει αποτελέσματα που έδειχναν υπερρευστότητα. Το παγιδευμένο αέριο σχημάτισε ένα λεπτό κύλινδρο, και όταν τα λέιζερ της παγίδας έσβησαν, το αέριο εκτονώθηκε σε δισκοειδές σχήμα -πολύ μικρή εκτόνωση συνέβη κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου. Μια τέτοια ανισότροπη εκτόνωση, είχε προηγουμένως προβλεφθεί ν' αποτελεί σημάδι της υπερρευστής κατάστασης.  

Παρόλα αυτά όμως, όπως υπέδειξε και η ίδια η ομάδα του Duke, και άλλα φαινόμενα μπορούν επίσης να γεννήσουν τέτοιες ανισοτροπικές εκτονώσεις. Πράγματι, πειράματα που έγιναν νωρίτερα αυτή τη χρονιά από την ομάδα του Jin και από τον Christophe Salomon με τους συνεργάτες του στην Εcole Normale Superieure στο Παρίσι,  έχουν δείξει παρόμοια ανισοτροπική εκτόνωση σε καταστάσεις όπου δεν υπήρχε υπερρευστότητα. 

Χρειάζεται λοιπόν μια τεχνική για άμεση ανίχνευση των ζευγών Cooper ή της υπερρευστότητας. Ο Jin όπως και ο Wolfgang Ketterle στο ΜΙΤ, ανέφεραν πρόσφατα μια τεχνική όπου με χρήση ραδιοκυμάτων μελέτησαν τις ακριβείς καταστάσεις των ατόμων στο παγιδευμένο εκφυλισμένο αέριο.

Αν υπήρχαν εκεί τα ζεύγη Cooper, η ενέργεια σύνδεσης των ζευγών θα μετριόταν απευθείας. Καμιά ομάδα δεν είδε τέτοια σημάδια ζευγών Cooper, αλλά και οι δύο αποκάλυψαν νέες χρήσιμες πληροφορίες πως τα φερμιονικά άτομα αλληλεπιδρούν κοντά στον συντονισμό Feshbach. 

Αρκετές ομάδες έχουν πρόσφατα μελετήσει τον σχηματισμό χαλαρών συνδέσεων μορίων με δύο άτομα σε αέρια φάση. "Ελπίζουμε ότι θα μπορέσουμε να μετατρέψουμε τα μόρια σε ζεύγη Cooper," λέει ο  Ketterle. Τον Αύγουστο ο θεωρητικός Yvan Castin και οι συνεργάτες του στην Εcole Normale Superieure, υπέδειξαν πως θα μπορούσε να γίνει κάτι τέτοιο: Πρώτα μετατρέπουμε τα μόρια σε συμπύκνωμα Bose, στη συνέχει ρυθμίζουμε το συντονισμό Feshbach. Αν κάτι τέτοιο είναι σωστό, οι πειραματικοί είναι μόλις δυο βήματα από το στόχο τους.