Φυσικοί στο ΜΙΤ δημιουργούν νέα μορφή της ύλης

Πηγή: MIT, 25 Ιουνίου 2005

Επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης έγιναν οι πρώτοι φυσικοί που κατάφεραν να δημιουργήσουν έναν νέο τύπο ύλης, ένα αέριο ατόμων που παρουσιάζει υψηλής θερμοκρασίας υπερρευστότητα.

Η εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature, σχετίζεται αρκετά με την υπεραγωγιμότητα των ηλεκτρονίων στα μέταλλα. Παρατηρήσεις πάνω στα υπερευστά μπορούν να βοηθήσουν ώστε να λυθούν μακροχρόνια ερωτήματα για την υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας, η οποία έχει διαδεδομένες εφαρμογές στους μαγνήτες, στους αισθητήρες και την αποδοτική - χωρίς απώλεια ενέργειας - μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, δήλωσε ο Wolfgang Ketterle, ένας νομπελίστας φυσικός, που διευθύνει την ομάδα του MIT μαζί με τον John D. MacArthur, καθηγητής της φυσικής στο εργαστήριο ηλεκτρονικής του MIT.

Η δημιουργία του υπέρρευστου αερίου είναι τόσο σημαντικό βήμα, που ο Dan Kleppner, διευθυντής του κέντρου MIT-Harvard για τα υπέψυχρα άτομα είπε, "Δεν είναι απλώς μια 'τουφεκιά' για την υπερρευστότητα, είναι κανονιά".

Για αρκετά χρόνια, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο μελετούσαν τα ψυχρά αέρια των φερμιονικών ατόμων με τελικό στόχο να βρουν νέες μορφές υπερρευστότητας. Ένα υπέρρευστο αέριο μπορεί να ρέει χωρίς αντίσταση. Μπορεί να διακριθεί σαφώς από ένα κανονικό αέριο όταν περιστρέφεται. Ένα κανονικό αέριο περιστρέφεται όπως ένα συνηθισμένο αντικείμενο, αλλά ένας υπέρρευστο μπορεί να περιστραφεί μόνο όταν αυτό σχηματίζει δίνες παρόμοιες με τους μίνι-ανεμοστροβίλους. Έτσι ένα περιστρεφόμενο υπέρρευστο αέριο μοιάζει με την όψη ενός ελβετικού τυριού, όπου οι τρύπες είναι οι πυρήνες των μίνι-ανεμοστροβίλων.

"Όταν στις 13 Απριλίου είδαμε την πρώτη εικόνα των δινών (του υπέρρευστου αερίου) να εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή, ήταν απλά συναρπαστικό", αναφέρει ο Martin Zwierlein. Για σχεδόν ένα χρόνο, η ομάδα δούλευε για να φτιάξει τα μαγνητικά πεδία και τις ακτίνες λέιζερ πολύ κυκλικά, για να μπορεί το αέριο να τεθεί σε περιστροφή.

"Στα υπέρευστα, καθώς επίσης και στους υπεραγωγούς, τα σωματίδια κινούνται περιορισμένα. Σχηματίζουν ένα μεγάλο κβαντομηχανικό κύμα", εξήγησε ο Ketterle. Μια τέτοια μετακίνηση επιτρέπει στους υπεραγωγούς να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα χωρίς αντίσταση.

Η ομάδα του MIT ήταν σε θέση να δει αυτές τις υπέρρευστες δίνες σε εξαιρετικά ψυχρές θερμοκρασίες, όταν το φερμιονικό αέριο δροσίστηκε σε περίπου 50 δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Kelvin, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου).

"Μπορεί να ακούγεται περίεργα όταν την ονομάζουμε υπερρευστότητα υψηλής θερμοκρασίας στους 50 nanokelvin, αλλά αυτό που συμβαίνει είναι ότι η θερμοκρασία ομαλοποιείται από την πυκνότητα των σωματιδίων", λέει ο νομπελίστας Ketterle. "Έχουμε επιτύχει τώρα κατά πολύ την πιο υψηλή θερμοκρασία που έγινε ποτέ".  Αν υπήρχε κλιμάκωση μέχρι την πυκνότητα των ηλεκτρονίων που είναι σε ένα μέταλλο, η υπέρρευστη θερμοκρασία μετάβασης στα ατομικά αέρια θα ήταν υψηλότερη από τη θερμοκρασία δωματίου.

Η ομάδα παρατήρησε την φερμιονική υπερρευστότητα στο ισότοπο λίθιο-6, που περιέχει τρία πρωτόνια, τρία νετρόνια και τρία ηλεκτρόνια. Επειδή ο συνολικός αριθμός των συστατικών είναι περιττός, το λίθιο-6 είναι φερμιόνιο. Χρησιμοποιώντας τεχνικές λέιζερ και εξατμιστικής ψύξης, έψυξαν το αέριο κοντά στο απόλυτο μηδέν. Έπειτα, παγίδεψαν το αέριο στην εστία μιας υπέρυθρης ακτίνας λέιζερ. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία του υπέρυθρου φωτός συγκράτησαν τα άτομα σε ορισμένη θέση. Το τελευταίο βήμα ήταν να περιστραφεί μια πράσινη ακτίνα λέιζερ γύρω από το αέριο ώστε να το θέσει σε περιστροφή. Μια σκιασμένη εικόνα του νέφους έδειξε την υπέρρευστη συμπεριφορά της: Το νέφος διαπεράστηκε από μια κανονική σειρά δινών, η κάθε μία σχεδόν στο ίδιο μέγεθος.

Η εργασία βασίζεται σε μια προηγούμενη δημιουργία του συμπυκνώματος Bose-Einstein της ομάδας του MIT. Η μορφή αυτή της ύλης στην οποία τα σωματίδια συμπυκνώνονται ώστε να ενεργούν ως ένα μεγάλο κύμα, προβλέφτηκε από τον Αλβέρτο Αίνστάιν το 1925. Οι επιστήμονες αργότερα συνειδητοποίησε ότι η συμπύκνωση κατά Bose-Einstein και η υπερρευστότητα έχουν μεγάλη σχέση.

Το συμπύκνωμα Bose-Einstein φερμιονικών ζευγών παρατηρήθηκε τον Νοέμβριο του 2003 από ανεξάρτητες ομάδες στο πανεπιστήμιο του Κολοράντο, στο πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία και στο MIT. Εντούτοις, η παρατήρηση του συμπυκνώματος Bose-Einstein δεν είναι η ίδια με την παρατήρηση της υπερρευστότητας. Κι άλλες μελέτες έγιναν από αυτές τις ομάδες και στο Ecole Normale Superieure στο Παρίσι, στο Πανεπιστήμιο του Ντιούκ και στο πανεπιστήμιο Rice, αλλά οι αποδείξεις για την υπερρευστότητα ήταν διφορούμενες ή έμμεσες.

Το υπέρρευστο φερμιονικό αέριο που δημιουργήθηκε στο MIT μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως ένα εύκολα ελέγξιμο πρότυπο σύστημα για να μελετηθούν οι ιδιότητες των πολύ πυκνότερων μορφών φερμιονικής ύλης, όπως είναι οι στερεοί υπεραγωγοί, τα αστέρια νετρονίων ή το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, που υπήρχε στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος.