Pyörivien fermionien pyörivä supernestekaasu. Kuvan luotto: MIT. Klikkaa suurentaaksesi.
MIT: n tutkijat ovat päättäneet superjäähdytetyn fyysisen kilpailun tuloksesta: Heistä on tullut ensimmäisiä, jotka ovat luoneet uuden tyyppisen aineen, atomikaasun, joka osoittaa korkean lämpötilan ylivuotoa.
Heidän työnsä, josta kerrotaan 23. kesäkuuta ilmestyvässä Nature-lehdessä, liittyy läheisesti metallien elektronien suprajohtavuus. Supernesteiden havainnot voivat auttaa ratkaisemaan pysyviä kysymyksiä korkean lämpötilan suprajohtavuudesta, jolla on laaja sovellus magneetteihin, antureihin ja energiatehokkaaseen sähkön kuljetukseen, kertoi MIT-ryhmää johtavan Nobel-palkinnon saaja Wolfgang Ketterle, joka on John D. MacArthur. Fysiikan professori.
Superfluidikaasun näkeminen niin selkeästi on niin dramaattinen vaihe, että MIT-Harvard Ultracold Atoms -keskuksen johtaja Dan Kleppner sanoi: ”Tämä ei ole ylimääräisyyden tupakointipistooli. Tämä on tykki. ”
Useiden vuosien ajan tutkimusryhmät ympäri maailmaa ovat tutkineet ns. Fermionisten atomien kylmiä kaasuja, joiden päätavoitteena on löytää uusia ylijäämämuotoja. Supernestekaasu voi virtata ilman vastusta. Se voidaan erottaa selvästi normaalista kaasusta, kun sitä pyöritetään. Normaali kaasu pyörii kuin tavallinen esine, mutta superneste voi pyöriä vain, kun se muodostaa pyörreitä, jotka ovat samanlaisia kuin mini-tornadot. Tämä antaa pyörivälle supernestelle sveitsiläisen juuston ulkonäön, jossa reiät ovat mini-tornadoiden ytimiä. "Kun näimme ensimmäisen kuvan pyörteistä ilmestyvän tietokoneen näytölle, se oli yksinkertaisesti henkeäsalpaava", sanoi jatko-opiskelija Martin Zwierlein muistellessaan huhtikuun 13. iltaa, kun joukkue näki ensimmäisen kerran supernestekaasun. Jo melkein vuoden ajan ryhmä oli työskennellyt tekemällä magneettikentät ja lasersäteet erittäin pyöreiksi, jotta kaasu voitiin asettaa kiertoon. "Se oli kuin hieroisi pyörän kuoppia tekemään siitä täydellisen pyöreän", Zwierlein selitti.
”Supernesteissä, samoin kuin suprajohteissa hiukkaset liikkuvat lukitusaskeleella. Ne muodostavat yhden suuren kvantmekaanisen aallon ”, kertoi Ketterle. Tällainen liike sallii suprajohteiden kuljettaa sähkövirtoja ilman vastusta.
MIT-ryhmä pystyi tarkastelemaan näitä supernesteisiä pyörteitä erittäin kylmissä lämpötiloissa, kun fermioninen kaasu jäähdytettiin noin 50 miljardiin tuhannesosaan Kelvin-astetta, hyvin lähellä absoluuttista nollaa (-273 astetta C tai -459 astetta F). "Voi kuulostaa oudolta kutsua ylijäämäiseksi 50 nanokelvinin korkean lämpötilan ylivirtauksella, mutta tärkeätä on lämpötila, joka normalisoidaan hiukkasten tiheyden avulla", Ketterle sanoi. "Olemme nyt saavuttaneet kaikkien aikojen korkeimman lämpötilan." Skaalattuna elektronien tiheyteen metallissa, supernesteen siirtymälämpötila atomikaasuissa olisi korkeampi kuin huoneenlämpö.
Ketterlen ryhmän jäseninä olivat MIT-tutkinnon suorittaneet opiskelijat Zwierlein, Andre Schirotzek ja Christian Schunck, jotka kaikki ovat Ultracold Atomikeskuksen jäseniä, sekä entinen jatko-opiskelija Jamil Abo-Shaeer.
Ryhmä havaitsi fermionisen superfluiditeetin litium-6-isotoopissa, joka käsitti kolme protonia, kolme neutronia ja kolme elektronia. Koska ainesosien kokonaismäärä on pariton, litium-6 on fermioni. Laseri- ja haihdutusjäähdytystekniikoita käyttämällä ne jäähdyttivät kaasun lähellä absoluuttista nollaa. Sitten he loukkasivat kaasun infrapunalaserin keskipisteeseen; infrapunavalon sähkö- ja magneettikentät pitivät atomit paikoillaan. Viimeinen vaihe oli pyörittää vihreää lasersädettä kaasun ympärille sen kääntämiseksi. Pilven varjokuva osoitti sen supernestekäyttäytymisen: Pilvi lävistettiin säännöllisellä ryhmällä pyörteitä, jokaisen suunnilleen samankokoinen.
Teos perustuu MIT-ryhmän aikaisempaan Bose-Einsteinin kondensaattien luomiseen, aineen muotoon, jossa hiukkaset tiivistyvät ja toimivat yhtenä suurena aallona. Albert Einstein ennusti tämän ilmiön vuonna 1925. Tutkijat myöhemmin ymmärsivät, että Bose-Einsteinin tiivistyminen ja ylivirtaus liittyvät läheisesti toisiinsa.
Coloradon yliopistossa Boulderissa, Innsbruckin yliopistossa Itävallassa ja MIT: ssä riippumattomat ryhmät havaitsivat Bose-Einsteinin parien fermionien tiivistymisen, jotka olivat sitoutuneet toisiinsa löysästi molekyyleinä. Bose-Einsteinin kondensaation havaitseminen ei kuitenkaan ole sama kuin superfluiditeetin havaitseminen. Nämä ryhmät ja Pariisin Ecole Normale Superieure -tapahtumassa, Duke-yliopistossa ja Rice-yliopistossa tekivät lisätutkimuksia, mutta todisteet ylijäämäisyydestä olivat epäselviä tai epäsuorat.
MIT: llä luotu supernesteinen Fermi-kaasu voi toimia myös helposti hallittavana mallijärjestelmänä fermionisen aineen paljon tiheämpien muotojen, kuten kiinteiden suprajohteiden, neutronitähteiden tai varhaisessa maailmankaikkeudessa olemassa olevan kvarki-gluoniplasman ominaisuuksien tutkimiseksi.
MIT-tutkimusta tukivat Kansallinen tiedesäätiö, merivoimien tutkimustoimisto, NASA ja armeijan tutkimustoimisto.
Alkuperäinen lähde: MIT-lehdistötiedote
