Μεγάλο βήμα στην αγωγιμότητα: Περισσότερο κοινωνικά σωματίδια

Από την ιστοσελίδα των New York Times, 23 Νοεμβρίου 2003

Οκτώ χρόνια αφότου οι φυσικοί κατάφεραν με υπέρψυχρα άτομα να φτιάξουν έναν νέο τύπο ύλης, στoν οποίo χιλιάδες άτομα συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο υπεράτομο, δύο ερευνητικές ομάδες έχουν επαναλάβει τώρα αυτόν τον άθλο χρησιμοποιώντας όμως μικρά μόρια

Το επίτευγμα αυτό θα προσφέρει στους φυσικούς νέα μέσα για να ερευνηθεί η συχνά παράξενη συμπεριφορά της ύλης που βρίσκεται σε υπέρψυχρη κατάσταση, όπως σύρματα που μεταφέρουν χωρίς καμιά αντίσταση ηλεκτρική ενέργεια και ρευστά που ρέουν χωρίς τριβή. Ειδικότερα, μια κατηγορία υλικών, οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, συνεχίζουν να αναζητούν μια εξήγηση για το πως λειτουργούν.

"Κανένας δεν έχει μια καλή θεωρία για να περιγράψει αυτές τις καταστάσεις", λέει ο Δρ Rudolf Grimm, ένας καθηγητής της πειραματικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία, που καθοδήγησε τη μια από τις ερευνητικές ομάδες. "Αυτές ακριβώς τις καταστάσεις μπορούμε να τις εξετάσουμε τώρα."

Οι επιστήμονες των δύο ομάδων ερεύνησαν μια κατάσταση γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Και ονομάστηκε έτσι γιατί είχε προβλεφτεί ήδη από τη δεκαετία του '20 από τους Αλβέρτο Αϊνστάιν και τον ινδό θεωρητικό φυσικό Satyendra Nath Bose. Οι Einstein και Bose πρόβλεψαν ότι πολλά ίδια μποζόνια (σωμάτια με μηδενικό ή ακέραιο spin),  θα μπορούσαν να φτάσουν σε μια "κβαντική κατάσταση" που, όταν ψυχθούν αρκετά, συγχωνεύονται μαζί σε ένα συμπύκνωμα, το οποίο συμπεριφέρεται ως ένα ενιαίο  σωματίδιο

Το 1995, οι επιστήμονες στο πανεπιστήμιο του Κολοράντο και του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder παρήγαγαν το πρώτα τέτοιο συμπύκνωμα. Το κατάφεραν ψύχοντας άτομα ρουβιδίου σε θερμοκρασία μικρότερη από το ένα εκατομμυριοστό του ενός βαθμού Κελβιν πάνω από το απόλυτο μηδέν (μείον 273.6 Κελσίου), μια θερμοκρασία στην οποία τα άτομα φτάνουν στην απόλυτη σχεδόν ακινησία

Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα επιταχύνθηκε γρήγορα, καθώς οι φυσικοί έχουν μάθει να μετατρέπουν την άλλη κατηγορία σωματιδίων του σύμπαντος, τα γνωστά φερμιόνια που έχουν ημιακέραιο spin, επίσης σε συμπύκνωμα. Αν και τα μποζόνια μπορούν να βρεθούν όλα στην ίδια κατάσταση χωρίς δυσκολία, τα φερμιόνια,  που στην τάξη τους ανήκουν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, είναι "αντικοινωνικά". Τα φερμιόνια δεν μπορούν να μοιραστούν την ίδια κβαντική κατάσταση και δεν μπορούν άμεσα να σχηματίσουν  ένα συμπύκνωμα κατά Bose-Einstein

Αλλά, δύο φερμιόνια μπορούν να ενωθούν σε ένα μόριο που συμπεριφέρεται όπως ένα μποζόνιο, και ένα αέριο τέτοιων μορίων μπορεί να συγχωνευτεί σε ένα συμπύκνωμα.

Η ομάδα του Δρ Grimm έκανε αυτό το συμπύκνωμα με άτομα λιθίου, ενώ η άλλη ανταγωνιστική ομάδα υπό την καθοδήγηση της  Deborah Jin στο εργαστήριο του Κολοράντο, έκαναν το ίδιο πράγμα αλλά με το κάλιο.

"Τα μόρια μπορούν να κάνουν νέα, ενδιαφέροντα πράγματα που τα άτομα δεν μπορούν να κάνουν", είπε η Δρ Jin

Ο Eric A. Cornell, που το 2001 μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ στη φυσική για το αρχικό πείραμα Bose - Einstein, λέει ότι ο σχηματισμός μποζονίων από φερμιόνια, είναι μια καλή ενοποίηση δύο πραγμάτων, που στη φυσική τα θεωρούμε τόσο διαφορετικά όσο το αρσενικό και το θηλυκό. Ο Dr. Randall Hullet λέει ότι τώρα ανοίγονται νέοι δρόμοι στην εξερεύνηση φαινομένων όπως η υπεραγωγιμότητα, αλλά με συστήματα που είναι πολύ πιο εύκολο να κατανοηθούν.

Με μια ισχυρή ελκτική δύναμη, τα ζευγάρια των ατόμων σχηματίζουν μόρια τα οποία συγχωνεύονται σε ένα συμπύκνωμα Βose-Einstein. Όταν η έλξη είναι πολύ πιο ασθενής, τα άτομα ακόμα σχηματίζουν ζευγάρι. Το συνοδό άτομο δεν είναι το πλησιέστερο γειτονικό άτομο, αλλά ένα πολύ πιο μακρινό. Αυτό το φαινόμενο, που είναι γνωστό ως δημιουργία ζεύγους Cooper, ερμηνεύει τη συμπεριφορά των υπεραγωγών, που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα ουσιαστικά χωρίς καμία ηλεκτρική αντίσταση, και των υπερρευστών, τα οποία ρέουν χωρίς τριβή.

Οι σημερινές θεωρίες εξηγούν πολύ καλά τα συμπυκνώματα Βose-Einstein και τα ζεύγη Cooper, αλλά δεν τα καταφέρνουν για τις ενδιάμεσες καταστάσεις. Μεταβάλλοντας ένα μαγνητικό πεδίο μέσα στο οποίο βρίσκεται ένα αέριο, οι φυσικοί θα πρέπει τώρα να είναι σε θέση τώρα να μεταβούν από την κατάσταση των ζευγών Cooper στην κατάσταση του συμπυκνώματος Βose-Einstein και αντίστροφα, μελετώντας συστηματικά τη διαδικασία μετάβασης.

"Πραγματικά δεν γνωρίζουμε τι συμβαίνει όταν περνάει ένα φυσικό σύστημα από αυτή τη μετάβαση," λέει ο Δρ Hulet.

Αυτό, στη συνέχεια, μπορεί να δώσει σημαντικές ενδείξεις για τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Αυτά τα υλικά, που ανακαλύφθηκαν το 1986, αρχίζουν να βρίσκουν πολλές εμπορικές χρήσεις, ακόμα κι αν οι επιστήμονες δεν καταλαβαίνουν ακόμα πώς λειτουργούν και γιατί λειτουργούν σε θερμοκρασίες αρκετά θερμότερες από άλλους υπεραγωγούς.

Στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη Cooper που μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση. Μερικοί θεωρητικοί λένε ότι μια ισχυρή έλξη μεταξύ ηλεκτρονίων στους, υψηλής θερμοκρασίας, υπεραγωγούς, η οποία είναι ανάλογη με την έλξη μεταξύ των ατόμων στο συμπύκνωμα Βose-Einstein, προκαλεί αυτές τις μοναδικές ιδιότητες των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.

Επειδή τα μοριακά συμπυκνώματα, κατά Bose-Einstein, αποτελούνται από ένα μόνο στοιχείο, θα πρέπει να είναι πολύ ευκολότερα να μελετηθούν από ό,τι οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, που αποτελούνται από σύνθετα μίγματα.

Παραδείγματος χάριν, η υπεραγωγιμότητα στους υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγούς εμφανίζεται να είναι μια διαδικασία δύο σταδίων. Σε μια θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται σε ζεύγη Cooper, αλλά δεν γίνονται υπεραγωγοί, έως ότου ψυχθούν ακόμα περισσότερο.

Μερικοί εμπειρογνώμονες πιστεύουν ότι η διαδικασία των δύο σταδίων είναι βασική στην υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας.  Άλλοι λένε ότι είναι κάποιο δευτερεύον, ανεξάρτητο χαρακτηριστικό των υλικών.

"Το κβαντομηχανικό κομμάτι της εξήγησης είναι αρκετά δύσκολο," ανέφερε ο Δρ Hulet.

"Ανοίγει όμως μια νέα πόρτα γιατί μπορούμε να ερευνήσουμε την υπεραγωγιμότητα με μεγαλύτερη άνεση και ευκολία," λέει ο ίδιος.  

Η Deborah Jin είναι φυσικός που χρησιμοποιεί τις πρόσφατες προόδους στην ατομική ψύξη για να μελετήσει τη συμπεριφορά των ατόμων κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Σαν μεταδιδακτορική ερευνήτρια, η Jin συμμετείχε στις αρχικές επιδείξεις της συμπύκνωσης Βose-Einstein - μια διαδικασία στην οποία ένας μικρός αριθμός ατόμων γίνονται τόσο ψυχρά που καταρρέουν σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση, φτιάχνοντας έτσι ένα γιγαντιαίο άτομο.

Τελευταία, η Jin καθοδήγησε τις έρευνες για να εφαρμοστεί η ψύξη με λέιζερ καθώς και  μαγνητικές τεχνικές παγίδευσης, για να εξερευνηθούν οι ιδιότητες των υπέρψυχρων φερμιονίων, τα οποία δεν μπορούν να σχηματίσουν συμπυκνώματα Βose-Einstein, κάτι που οφείλεται στους περιορισμούς της κβαντομηχανικής. Προσπαθώντας δε να υποχρεώσει τα φερμιόνια σε μια ελάχιστη θερμοκρασία οδηγείται σε ένα σύνολο ατόμων σε μια δέσμη κβαντοποιημένων καταστάσεων ενέργειας. Η Jin έκανε τις αρχικές και κρίσιμες προόδους προς την αξιόπιστη πειραματική παραγωγή αυτού του το εκφυλισμένου φερμιονικού αερίου με την ελάχιστη θερμοκρασία.

Στη θεωρία τα φερμιόνια στην υψηλότερη κατάσταση ενέργειας ενός εκφυλισμένου αερίου πρέπει να σχηματίσουν ζεύγη Cooper, όπως κάνουν τα ηλεκτρόνια στα υπεραγώγιμα υλικά. Το φαινόμενο δεν έχει καταδειχθεί ακόμα στο εργαστήριο, αλλά η Jin έχει κάνει το πρώτο τεράστιο βήμα για την επίτευξη αυτής της κατάστασης.