Παγωμένο ήλιο μετατράπηκε σε υπερστερεό που συμπεριφέρεται σαν ένα υπερρευστό

Από την ιστοσελίδα του Nature και PhysicsWeb, 15 Ιανουαρίου 2004

Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες θεωρούν ότι έχουν βρει μια νέα κατάσταση της ύλης, ένα υπερ-στερεό, όπως το ονόμασαν. Εάν τα συμπεράσματά τους είναι σωστά, αυτή η κατάσταση είναι βαθιά παράξενη. Αν και είναι ένα κρυσταλλικό στερεό, μπορεί να 'ρεύσει', όπως κάνουν τα πιο ολισθηρά υγρά. Στην πραγματικότητα, συμπεριφέρεται όπως ένα υγρό χωρίς ιξώδες.

Τα υγρά που μπορούν να το κάνουν αυτό ήταν γνωστά επί χρόνια. Είναι τα γνωστά υπερρευστά και επειδή δεν έχουν κανένα ιξώδες αυτά συμπεριφέρονται με παράξενο τρόπο. Μόλις ένα υπερρευστό υγρό ανακατευθεί, τότε θα συνεχίσει για πάντα να κινείται, ενώ σε ένα κανονικό υγρό αν δημιουργηθεί μια δίνη μετά από λίγο θα εξαφανιστεί. Ένα υπερρευστό υγρό έχει την ικανότητα να ανέβει ακόμα και στις πλευρές του δοχείου που βρίσκεται και να χυθεί απέξω.

Συμπύκνωση Bose-Einstein

Όλα τα άτομα είναι είτε μποζόνια είτε φερμιόνια ανάλογα με το εάν η εγγενής στροφορμή τους ή spin είναι ακέραιος αριθμός ή πολλαπλάσιο του 1/2 σε κβαντικές μονάδες. Όταν τα άτομα-μποζόνια όπως το ήλιο-4 ψυχθεί κοντά στο απόλυτο μηδέν, μπορούν όλα να καταρρεύσουν στην ίδια κβαντική σταθερή κατάσταση διαμορφώνοντας έτσι ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein. Τα φερμιονικά άτομα, αφ' ετέρου, υπακούουν στην αρχή αποκλεισμού του Pauli (δεν μπορούν να έχουν την ίδια τιμή spin) και δεν μπορούν να σχηματίσουν ένα τέτοιο συμπύκνωμα.

Όταν το υγρό ήλιο-4 ψυχθεί κάτω από, περίπου, 2 Kelvin, υποβάλλεται σε συμπύκνωση Bose-Einstein για να γίνει ένα υπερρευστό. Αν και η θεωρία προβλέπει ότι η υπερρευστότητα πρέπει επίσης να υπάρχει και στο στερεό ήλιο-4, καμία τέτοια φάση υπερστερεού δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ σε κανένα πείραμα.

Στους υπεραγωγούς, η συμπύκνωση Bose-Einstein των ηλεκτρονίων στις χαμηλές θερμοκρασίες επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει χωρίς αντίσταση. Από το 1995, η συμπύκνωση Bose-Einstein των ατόμων έχει φανεί σε διάφορα υπέψυχρα αέρια.Τα πρώτα δύο υπερευστά που έγιναν από τους ερευνητές δημιουργήθηκαν με τη χρησιμοποίηση του ήλιου-4 και ήλιου-3. Και τα δύο χρειάζονται να ψυχθούν κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 °C), πριν εμφανιστεί η υπερρευστή συμπεριφορά τους.

Δημιουργία υπερστερεού 

Οι δύο επιστήμονες ο καθηγητής Moses Chan και η μεταπτυχιακή σπουδάστρια Εuν-Seong Kim του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας ισχυρίζονται τώρα ότι έχουν μετατρέψει ψυχρό ήλιο-4 σε υπερστερεό.

Οι Chan και Kim συμπίεσαν αρχικά το αέριο ήλιο-4 σε έναν μικρό γυάλινο δίσκο, κατασκευασμένο από λιωμένο πυρίτιο, που περιέχει πόρους ατομικών διαστάσεων (ονομάζεται Vycor). Έπειτα, τοποθέτησαν αυτόν τον δίσκο σε μια κάψα "στρεπτικής ταλάντωσης" και εφάρμοσαν μια πίεση 60 ατμοσφαιρών. Ύστερα περιέστρεψαν την κάψα και μέτρησαν το ρυθμό της ταλάντωσής της καθώς μείωναν τη θερμοκρασία σε, σχεδόν, απόλυτο μηδέν.

Το ζευγάρι των επιστημόνων παρατήρησε τότε ότι ο ρυθμός ταλάντωσης της κάψας αυξήθηκε ξαφνικά, όταν μειώθηκε η θερμοκρασία κάτω από, περίπου,  175 millikelvin. Δηλαδή, άρχισε ξαφνικά να περιστρέφεται ευκολότερα.

Σύμφωνα με τους Kim και Chan, αυτό σήμανε ότι το ήλιο-4 είχε 'αποσυνδεθεί' από τους πόρους στο δίσκο του γυαλιού και είχε εισαχθεί σε μια φάση υπερστερεή.

"Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα του ήλιου-4 ρέουν συνεχώς - χωρίς οποιαδήποτε τριβή - αλλά επειδή όλα τα μόρια βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, παραμένει σαν στερεό", είπε ο Chan.

Για να δοκιμάσει τα συμπεράσματά του, το ζευγάρι επανέλαβε το πείραμά τους με άτομα ηλίου-3 - που είναι όμως φερμιόνια. Όπως αναμενόταν, δεν βρήκαν καμία αλλαγή στην περίοδο ταλάντωσης της κάψας.

"Εάν τα αποτελέσματά μας επιβεβαιωθούν, αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές είναι σε θέση τώρα να παρατηρήσουν την συμπύκνωση Bose-Einstein στην αέρια, στην υγρά και στην στερεά φάση", έγραψαν οι Kim και Chan.

Αλλά ο John Beamish του Πανεπιστημίου Αλμπέρτα στο Έντμοντον στον Καναδά, λέει ο ισχυρισμός στους είναι βέβαιο ότι θα δημιουργήσει διαμάχες".

Μερικοί ερευνητές θα αναρωτηθούν, παραδείγματος χάριν, εάν κάποια ποσότητα υγρού ήλιου παρέμεινε ακόμα στα τοιχώματα των πόρων Vycor και να έγινε υπερρευστό, αναγκάζοντας το δίσκο να περιστραφεί πιο ελεύθερα.

Αλλά οι Kim και Chan επιμένουν ότι αυτό είναι απίθανο.