Άτομα αερίου Fermi σχηματίζουν υπερψυχρα μόρια μποζονίων
ή μποζόνια από φερμιόνια

Από σελίδα του PhysicsWeb, 2 Ιουλίου 2003

Ερευνητές στις ΗΠΑ έχουν φτιάξει υπέρψυχρα μόρια μποζονίων από ένα αέριο φερμιονικών ατόμων για πρώτη φορά.

Η Deborah Jin του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder και συνάδελφοι του στο εργαστήριο JILA, επίσης στο Boulder, έχουν δημιουργήσει περισσότερα από 250.000 υπέρψυχρα μποζονικά μόρια, εξαιρετικά ασθενώς συνδεδεμένα υπό μορφή του εξωτικού μορίου ⁴⁰ Κ₂, στο πείραμα τους. Το αποτέλεσμα είναι ένα σημαντικό βήμα προς την παραγωγή των μοριακών συμπυκνωμάτων κατά Bose-Einstein και ενός εξωτικού φερμιονικού υπερρευστού (C Regal et al. 2003 Nature 424 47).

Στις θερμοκρασίες κοντά σε απόλυτο μηδέν, τα άτομα των αερίων φθάνουν σε μια εκφυλισμένη κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν κύματα, όπως προβλέπεται από την Κβαντομηχανική.

Όλα τα άτομα είναι είτε μποζόνια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια, και κουάρκ) είτε φερμιόνια ανάλογα με το εάν έχουν ακέραιο ή ημι-ακέραιο spin, και η διαφορά μεταξύ των δύο τύπων ατόμων γίνεται σαφής όταν ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα μποζόνια μπορούν να βρίσκονται όλα στην ίδια κβαντική θεμελιώδη κατάσταση για να σχηματίσουν ένα συμπύκνωμα κατά Bose-Einstein.

Τα φερμιονικά άτομα, αφ' ετέρου, υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και δεν μπορούν να σχηματίσουν ένα τέτοιο συμπύκνωμα. Εντούτοις, εάν ένα αέριο φερμιονικών ατόμων ψύχεται σε μια αρκετά χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα θα καταλάβουν όλες τις διαθέσιμες κβαντικές καταστάσεις για να σχηματίσουν ένα κβαντικό εκφυλισμένο φερμιονικό αέριο. Και τα συμπυκνώματα Bose και τα κβαντικά εκφυλισμένα φερμιονικά αέρια παρουσιάζουν πολλές νέες φυσικές ιδιότητες.

Το 1995 οι φυσικοί παρατήρησαν την συμπύκνωση Bose-Einstein σε ένα αέριο ατόμων για πρώτη φορά, και τέσσερα έτη αργότερα ο Jin και οι συνάδελφοι του έκαναν το πρώτο εκφυλισμένο φερμιονικό αέριο. Από τότε οι φυσικοί έχουν προσπαθήσει να κάνουν το ίδιο πράγμα με τα μόρια αλλά αυτό είναι δύσκολο, επειδή οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για να ψύξουν τα άτομα δεν λειτουργούν απαραιτήτως και για τα μόρια.

Η Jin και οι συνάδελφοι του άρχισαν τότε με ένα κβαντικό φερμιονικό αέριο ατόμων, το κάλιο-40,  και εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο για να παραγάγουν μια ασθενή δεσμευτική κατάσταση, που ήταν γνωστή ως "συντονισμός Fesbach". Με προσεκτική ρύθμιση της τιμής του μαγνητικού πεδίου η ενέργεια συντονισμού μπορεί να γίνει ίση με την ενέργεια των ατόμων, η οποία οδηγεί στο σχηματισμό των μορίων. Η ομάδα Boulder ήταν σε θέση να επιβεβαιώσει ότι η δεσμευτική ενέργεια των μορίων συμφώνησε με τις θεωρητικές προβλέψεις χρησιμοποιώντας ένα πεδίο ραδιοσυχνοτήτων για να τα διαχωρίσει.

Η ομάδα ελπίζει τώρα να παρατηρήσει την φερμιονική υπερρευστότητα - στην οποία φερμιόνια ζευγαρώνουν για να σχηματίσουν μποζόνια, που μετατρέπονται ακολούθως σε συμπυκνώματα Bose-Einstein, όπως συμβαίνει στη υπεραγωγιμότητα χαμηλής θερμοκρασίας - σε ένα τέτοιο σύστημα.

Το πείραμα θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην αναζήτηση της μαγνητικής ροπής ενός ηλεκτρονίου ή τη δημιουργία των πεπλεγμένων καταστάσεων για τον κβαντικό υπολογισμό.