Αποκαλύφθηκαν αποδεικτικά στοιχεία για τη δημιουργία υπερρευστής ύλης

Από το NewScientist, 22 Ιουλίου 2004

Τα πιο ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία που έχουν βρεθεί ποτέ για μια μορφή της ύλης στην οποία σωματίδια, που κανονικά δεν μπορούν να συνυπάρχουν, κάνουν ζευγάρια και ρέουν μαζί, παρουσιάστηκαν από αυστριακούς ερευνητές.

Ο άθλος αυτός- που ακολουθείται από τουλάχιστον έξι άλλες ομάδες - μπορεί να δώσει εξηγήσεις για τη φύση των αστέρων νετρονίων και τη δημιουργία των υπεραγωγών σε θερμοκρασία δωματίου.

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, οι φυσικοί που εργάζονται πάνω σε εξαιρετικά ψυχρά αέρια έχουν δημιουργήσει εννέα διαφορετικά υπερρευστά, που δεν εμφανίζουν τριβή, με μποζόνια - στοιχειώδη σωματίδια  με ακέραιο spin (1,2, κ.λπ.). Σε έναν υπερρευστό, τα σωματίδια δεν χάνουν ενέργεια όταν ρέουν, παραδείγματος χάριν, εξ αιτίας της θερμότητας λόγω της τριβής.

Αλλά η δημιουργία ενός υπερρευστού φτιαγμένου από φερμιόνια - υποατομικά σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια και με με ημιακέραιο spin (1/2, 3/2, κ.λπ.) - φάνηκε αρχικά αδύνατη. Η αιτία είναι ένας νόμος της κβαντομηχανικής - απαγορευτική αρχή του Pauli - που αποτρέπει στα ίδια φερμιόνια να καταλαμβάνουν την έχουν την ίδια κατάσταση. Παραδείγματος χάριν, να έχουν την ίδια θέση ή ορμή - συνθήκες που απαιτούνται για την υπερρευστότητα.

Αλλά πρόσφατα οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει ότι φερμιόνια μπορούν να κάνουν ζευγάρια, έτσι ώστε τα σπιν τους να αθροίζονται και το ζευγάρι να συμπεριφέρεται όπως τα μποζόνια.

"Αρχικά, τα φερμιόνια θεωρήθηκαν ότι αποστρέφεται το ένα το άλλο συγκρινόμενα με τα μποζόνια", λέει ο Rudolf Grimm, ένας καθηγητής της πειραματικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία και ένας από τους συντάκτες της μιας από τις νέες μελέτες που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science. "Τώρα που έχουμε μάθει ότι μπορούν να ζευγαρώνουν, έχουμε μάθει ότι η φυσική των φερμιονίων είναι ακόμα πιο ενδιαφέρουσα".

Ραδιοκύματα

Τα πρώτα δεδομένα για τους φυσικούς, που έδειξαν ότι τα φερμιόνια κάνουν ζεύγη στην ίδια κβαντική κατάσταση, ήρθαν το Δεκέμβριο του 2003 και από τότε έχουν πειραματιστεί με τις ιδιότητες της νέας μορφής της ύλης.

Τώρα, ο Grimm και οι συνάδελφοί του θεωρούν ότι έχουν δημιουργήσει έναν υπερρευστό από φερμιόνια που βασίζεται στις μελέτες που έκαναν πάνω σε ένα εξαιρετικά ψυχρό αέριο ατόμων λιθίου.

Οι ερευνητές αφού ρύθμισαν τη θερμοκρασία και την πυκνότητα του αερίου το 'έλουσαν' με ραδιοκύματα. Τα ραδιοκύματα μπορούν να διασπάσουν τα ζευγάρια των ατόμων του λιθίου. Με αυτόν τον τρόπο η ομάδα καθόρισε τον αριθμό των ζευγών και την ισχύ των δεσμών τους από τα μήκη κύματος των ραδιοκυμάτων που το αέριο απορρόφησε.

Και καθώς μείωσαν τη θερμοκρασία ακριβώς στα δέκα εκατομμυριοστά του ενός βαθμού Kelvin (πάνω από το απόλυτο μηδέν), οι ερευνητές είδαν το χάσμα στο φάσμα, μεταξύ των ζευγών και των μοναχικών ηλεκτρονίων, να αυξάνεται στο σημείο που αναμενόταν να βρίσκεται σε ένα υπερρευστό.

Άγνωστο πεδίο  

Ο Grimm λέει ότι αυτή και μερικές άλλες πρόσφατες μελέτες, που όμως χρησιμοποίησαν διαφορετικές τεχνικές, όλες φανερώνουν τη δημιουργία των υπερρευστών. "Το επόμενο μεγάλο βήμα είναι να παρατηρηθεί άμεσα η υπερρευστότητα", ανέφερε ο ίδιος. Κι αυτό θα συμβεί με περιστρέφοντας το αέριο και παρατηρώντας ειδικές δίνες στα ρευστά - κάτι που δεν είναι "καθόλου εύκολο να γίνει", λέει.

Η μελέτη του ρίχνει φως στο άγνωστο και νέο πεδίο, λέει: "Έχουμε μετρήσει για πρώτη φορά τις ιδιότητες αυτών των ζευγών. Αυτό μας δίνει το κλειδί για να συγκρίνουμε τις παρατηρήσεις με τη θεωρία."

"Παρατηρήσαμε εντελώς πειστικά ότι το αέριο - στις πιο χαμηλές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στο πείραμα του Grimm και της ομάδας του - είναι σε μια υπέρρευστη κατάσταση", αναφέρει ο Paivi Torma του Πανεπιστημίου Jyvaskyla στη Φινλανδία, που μελέτησε το φαινόμενο και υποστηρίζει την εργασία του Grimm.