Κβαντικό υπερρευστό θα μπορούσε να είναι συγγενικό με εξωτική ύλη που βρέθηκε σε άστρο από κουάρκ

Πηγή: Πανεπιστήμιο Rice, 23 Δεκεμβρίου 2005

Στον παράξενο και διασυνδεδεμένο κόσμο της κβαντικής φυσικής, κάθε μικροσκοπικό τμήμα της ύλης έχει και το σπιν του - μια εγγενής ιδιότητα των σωματιδίων, όπως το χρώμα στα μάτια - που δεν μπορεί να αλλάξει και που υπαγορεύει, πολύ συγκεκριμένα, με ποια άλλα τμήματα της ύλης αυτή η ιδιότητα μπορεί να μοιραστεί το κβαντικό χώρο. Για παράδειγμα, όταν τα φερμιόνια, τα πιο αντικοινωνικά κβαντικά σωματίδια, συσσωρεύονται, ζευγαρώνουν έτσι που τους επιτρέπει να παρουσιάσουν φαινόμενα, όπως η υπεραγωγιμότητα.

Δεξιά: Είναι μια τρισδιάστατη προβολή ενός ατομικού νέφους. Η ψηλή κεντρική (ημιδιάφανη) περιοχή αποτελείται από ζευγαρωμένα φερμιόνια 6 ατόμων λιθίου, και θεωρείται ότι είναι ένα υπερρευστό. Οι πιο σύντομες (αδιαφανείς) αιχμές από κάθε πλευρά, καθώς επίσης και ο εξασθενημένος δακτύλιος γύρω από το κατώτατο σημείο, είναι άτομα χωρίς ζευγάρι που έχουν αποβληθεί από την κεντρική περιοχή με τα ζεύγη. Το φως στο υπόβαθρο (πάνω δεξιά) είναι από την ακτίνα λέιζερ,  που χρησιμοποιείται για να απεικονίσει αυτό το νέφος. (Από το πανεπιστήμιο Rice).

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές στο πανεπιστήμιο Rice έχουν πετύχει να φτιάξουν και να παρατηρήσουν μια άπιαστη και από καιρό επιδιωκόμενη κβαντική κατάσταση - ένα υπερρευστό από φερμιόνια - υποατομικά σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια αλλά με ημιακέραιο spin (1/2, 3/2, κ.λπ.) - με έναν αριθμό ζευγαρωμένων σωματιδίων. Κοντά 40 χρόνια τώρα υπήρξε θεωρητική πρόβλεψη για αυτό που εμφανίζεται δίπλα - μια συστάδα μη ταιριαστών ζευγών που περιβάλλεται από ένα νέφος των εν δυνάμει συνεργατών - και ήταν κατά ένα μεγάλο μέρος απροσδόκητο.

Η έρευνα, που εμφανίζεται στο περιοδικό Science, προσφέρουν στους φυσικούς ένα νέο παράθυρο σε δύο, από τα πιο ελάχιστα κατανοητά και από τα περισσότερα περίεργα, φαινόμενα της φυσικής - την υπεραγωγιμότητα και την υπερρευστότητα.

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

Και τα δύο φαινόμενα προκύπτουν από μια αλλαγή στη φάση της ύλης. Ο καθένας που έχει δει να λιώνει ο πάγος έχει δει τις φάσεις της αλλαγής της ύλης, και όταν τα ηλεκτρόνια, τα άτομα και άλλα μικροσκοπικά κομμάτια της ύλης αλλάζουν κβαντικές φάσεις, συμπεριφέρονται εξίσου διαφορετικά όπως κάνει ο πάγος και το νερό σε ένα γυαλί.

Οι υπεραγωγιμότητα και η υπερρευστότητα, κάποιες φάσεις της ύλης  συμβαίνουν στα φερμιόνια  - τα αντικοινωνικά σωματίδια που δεν μπορούν να μοιραστούν το κβαντικό διάστημα με άλλα σωματίδια - παρά μόνο όταν οι κβαντικές δυνάμεις γίνονται κυρίαρχες. Επειδή οι θερμοδυναμικές δυνάμεις είναι τυπικά πολύ ισχυρές συντρίβουν τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις - όπως η δυνατή μουσική εξαφανίζει τον ψίθυρο κάποιου εδώ κοντά - και έτσι η υπεραγωγιμότητα και η υπερρευστότητα εμφανίζονται μόνο στο ακραίο ψύχος.

Στο πείραμα του Rice, όταν η θερμοκρασία φτάσει μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, φερμιόνια με ίσο αλλά αντίθετο σπιν ελκύεται από ένα άλλο και συμπεριφέρεται, κατά κάποιον τρόπο, όπως ένα σωματίδιο. Κι όπως ένα χορευτικό ζεύγος, δεν μοιράζονται τεχνικά το χώρο αλλά κινούνται σε πλήρη συμφωνία. Στους υπεραγωγούς, αυτά τα ζευγάρια επιτρέπουν να διατρέξει το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καθόλου αντίσταση, μια ιδιότητα που οι μηχανικοί έχουν ονειρευτεί να την εκμεταλλευτούν από καιρό για να αποβάλουν "τη διαρροή" στα καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρισμό, κάτι που κοστίζει δισεκατομμύρια δολαρίων ετησίως μόνο στις ΗΠΑ.

Οι υπεραγωγικές και υπέρρευστες φάσεις είναι ανάλογες, εκτός από το ότι η υπεραγωγιμότητα συμβαίνει με σωματίδια που έχουν φορτίο και η υπερρευστότητα εμφανίζεται σε ουδέτερα σωματίδια. Στα υπερρευστά, η ένωση φερμιονίων οδηγεί σε μια πλήρη απουσία ιξώδους.

Παρατήρηση απόκλισης της συμβατικής θεωρίας

"Η συμβατική θεωρία μας λέει ότι η υπεραγωγιμότητα ή η υπερρευστότητα εμφανίζεται μόνο με την παρουσία ενός ίσου αριθμού σωματιδίων με πάνω σπιν και κάτω σπιν",  λέει ο επικεφαλής της έρευνας Randy Hulet, καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας. "Οι φυσικοί εδώ και 50 χρόνια υπέθεταν για αυτό που θα συνέβαινε εάν αυτή η συνθήκη (του ίσου αριθμού) δεν ταίριαζε. Λόγω της πρωτόγονης και ελεγχόμενης φύσης των υπέρψυχρων ατόμων μας, είμαστε σε θέση να προσφέρουμε οριστικές αποδείξεις γι αυτό που συμβαίνει με τα συνδυασμένα σωματίδια με πάνω και κάτω σπιν".

Τα πειράματα σε υπερψυχρες θερμοκρασίες ακριβώς μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν είναι η ειδικότητα του Hulet. Και τα προηγούμενα χρόνια ήταν τεχνικά δυνατό να καταψυχτούν τα άτομα σε αυτές τις θερμοκρασίες, αλλά τώρα αυτή η δυνατότητα έχει αποδειχθεί εντυπωσιακά χρήσιμη για τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής, και για να ερευνήσουν οι φυσικοί τις ιδιότητες που ονομάζουν "φαινόμενα πολλών σωμάτων," συμπεριλαμβανομένης της υπεραγωγιμότητας και της υπερρευστότητας.

Στα πιο πρόσφατα πειράματα, η ομάδα Hulet έψυξε ένα μίγμα φερμιονίων ατόμων λιθίου-6 σε περίπου 30 δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτή είναι και η πιο ψυχρή θερμοκρασία στη φύση - ακόμη και στο βαθύτερο διαστρικό διάστημα - και είναι επαρκής για να καταστείλει ουσιαστικά όλη τη θερμοδυναμική αλληλεπίδραση στα άτομα, αφήνοντας την ύλη να κάνει υπέρρευστες κβαντικές ενώσεις.

Χρησιμοποιώντας ραδιοκύματα, η ομάδα του Hulet άλλαξε την αναλογία των ατόμων με πάνω και κάτω σπιν στα ψυχρά άτομα με μεγάλη ακρίβεια. Διαπίστωσαν δε ότι η υπερρευστότητα ήταν σε θέση να ανεχτεί μια υπερβολή έως και 10% μη ζευγαρωμένων φερμιονίων χωρίς καταστρεπτικά αποτελέσματα.

Η ομάδα του Hulet διαπίστωσε ότι η αύξηση της αναλογίας στα άτομα με πάνω σπιν ως προς κάτω σπιν  προκάλεσε τελικά μια αλλαγή φάσης. Και όταν τα μη ζευγαρωμένα με πάνω σπιν άτομα αυξήθηκαν πάνω από το 10% του συνολικού δείγματος, τα μη ζευγαρωμένα και μοναχικά άτομα αποβλήθηκαν ξαφνικά, αφήνοντας έναν πυρήνα υπέρρευστων ζευγών να περιβάλλεται από ένα φλοιό υπερβολικών ατόμων με πάνω σπιν.

Αυτή δε τη στιγμή η υπερρευστότητα κρατά το μεγαλύτερο μέρος της επιστημονικής προσοχής.

Και στο διάστημα

"Το αέριο συμπεριφέρεται σαν είναι ακόμα τέλεια ζευγαρωμένο, που είναι αρκετά αξιοπρόσεκτο λαμβάνοντας υπόψη την υπεροχή των ατόμων με πάνω σπιν", εξηγεί ο Hulet. "Αυτό όμως ήταν απροσδόκητο, και θα μπορούσε να επισημαίνει μια νέα, εξωτική μορφή υπερρευστότητας που μπορεί να είναι συγγενής στα ζεύγη των ηλεκτρονίων στους μη συμβατικούς υπεραγωγούς ή στη σούπα των κουάρκς που προβλέπεται ότι βρίσκονται στην καρδιά των πιο πυκνών άστρων νετρονίων".

Στα μεγαλύτερα άστρα νετρονίων - γνωστά ως "αστέρια κουάρκ" - μια μάζα περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη από τον ήλιο πιέζεται στο διάστημα σε έναν όγκο μικρότερο από το νησί του Μανχάτταν. Μερικοί θεωρητικοί φυσικής θεωρούν ότι η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή στην καρδιά αυτών των αστεριών που δημιουργεί κάτι που ονομάζεται "παράξενη ύλη", ένα πυκνό υπερρευστό αποτελούμενο από πάνω κουάρκ, από κάτω κουάρκ και από παράξενα κουάρκ.