Pyörivien fermionien pyörivä supernestekaasu, joka on lävistetty pyörteillä. Kuvan luotto: MIT. Klikkaa suurentaaksesi.
MIT:n tutkijat ovat saaneet superviileän lopun fyysikkojen kiihkeälle kilpailulle: heistä on tullut ensimmäisiä, jotka ovat luoneet uudentyyppisen aineen, atomikaasun, joka osoittaa korkean lämpötilan ylijuoksuisuutta.
Heidän työnsä, josta kerrotaan Nature-lehden 23. kesäkuuta, liittyy läheisesti metallien elektronien suprajohtavuuteen. Supernesteiden havainnot voivat auttaa ratkaisemaan viipyviä kysymyksiä korkean lämpötilan suprajohtavuudesta, jolla on laajalle levinneitä sovelluksia magneeteille, antureille ja energiatehokkaalle sähkönsiirrolle, sanoi Wolfgang Ketterle, Nobel-palkittu MIT-ryhmän johtaja ja John D. MacArthur. Fysiikan professori.
Supernestekaasun näkeminen niin selvästi on niin dramaattinen askel, että Dan Kleppner, MIT-Harvardin ultrakylmien atomien keskuksen johtaja, sanoi: 'Tämä ei ole savuava ase superfluiditeetille. Tämä on tykki.'
Tutkimusryhmät ympäri maailmaa ovat useiden vuosien ajan tutkineet niin sanottujen fermionisten atomien kylmiä kaasuja lopullisena tavoitteenaan löytää uusia superfluiditeetin muotoja. Supernestekaasu voi virrata ilman vastusta. Se erottuu selvästi tavallisesta kaasusta, kun sitä pyöritetään. Normaali kaasu pyörii kuin tavallinen esine, mutta superneste voi pyöriä vain, kun se muodostaa minitornadot muistuttavia pyörteitä. Tämä antaa pyörivälle supernesteelle sveitsiläisen juuston ulkonäön, jossa reiät ovat minitornadojen ytimiä. 'Kun näimme ensimmäisen kuvan pyörteistä ilmestyvän tietokoneen näytölle, se oli yksinkertaisesti henkeäsalpaava', sanoi jatko-opiskelija Martin Zwierlein muistellakseen iltaa 13. huhtikuuta, jolloin ryhmä näki ensimmäisen kerran supernestekaasun. Lähes vuoden ajan tiimi oli työskennellyt magneettikenttien ja lasersäteiden tekemiseksi hyvin pyöreiksi, jotta kaasu voitaisiin asettaa pyörimään. 'Se oli kuin hioisi pyörän kohoumia pois, jotta se tekisi siitä täydellisen pyöreän', Zwierlein selitti.
”Supernesteissä, kuten suprajohtimissa, hiukkaset liikkuvat lukkoaskelissa. Ne muodostavat yhden suuren kvanttimekaanisen aallon”, Ketterle selitti. Tällainen liike sallii suprajohteiden kuljettaa sähkövirtoja ilman vastusta.
MIT-tiimi pystyi näkemään nämä superfluid-pyörteet erittäin kylmissä lämpötiloissa, kun fermioninen kaasu jäähdytettiin noin 50 Kelvin-asteen miljardiosaan, hyvin lähellä absoluuttista nollaa (-273 astetta C tai -459 astetta F). 'Saattaa kuulostaa oudolta kutsua superfluiditeettia 50 nanokelvinillä korkean lämpötilan superfluidiksi, mutta tärkeintä on lämpötila, joka normalisoituu hiukkasten tiheydellä', Ketterle sanoi. 'Olemme saavuttaneet ylivoimaisesti kaikkien aikojen korkeimman lämpötilan.' Skaalattuna metallin elektronien tiheyteen, superfluidin siirtymälämpötila atomikaasuissa olisi korkeampi kuin huoneenlämpötila.
Ketterlen tiimin jäseniä olivat MIT:n jatko-opiskelijat Zwierlein, Andre Schirotzek ja Christian Schunck, jotka kaikki ovat Ultracold Atomien keskuksen jäseniä, sekä entinen jatko-opiskelija Jamil Abo-Shaeer.
Ryhmä havaitsi fermionisen superfluiditeetin litium-6-isotoopissa, joka sisälsi kolme protonia, kolme neutronia ja kolme elektronia. Koska aineosien kokonaismäärä on pariton, litium-6 on fermioni. Laser- ja haihdutusjäähdytystekniikoilla ne jäähdyttivät kaasun lähelle absoluuttista nollaa. Sitten he sulkivat kaasun infrapunalasersäteen keskipisteeseen; infrapunavalon sähkö- ja magneettikentät pitivät atomit paikoillaan. Viimeinen vaihe oli pyörittää vihreää lasersädettä kaasun ympärille sen saattamiseksi pyörimään. Pilven varjokuva osoitti sen supernesteisen käyttäytymisen: Pilven lävisti säännöllinen pyörteiden joukko, joista jokainen oli suunnilleen samankokoinen.
Työ perustuu MIT-ryhmän aikaisempaan luomaan Bose-Einstein-kondensaatteja, aineen muotoa, jossa hiukkaset tiivistyvät ja toimivat yhtenä suurena aaltona. Albert Einstein ennusti tämän ilmiön vuonna 1925. Myöhemmin tiedemiehet ymmärsivät, että Bose-Einsteinin kondensaatio ja superfluiditeetti liittyvät läheisesti toisiinsa.
Molekyyleiksi löyhästi yhteen sitoutuneiden fermioniparien Bose-Einsteinin kondensaatio havaittiin marraskuussa 2003 Coloradon yliopiston Boulderissa, Innsbruckin yliopistossa Itävallassa ja MIT:ssä. Bose-Einsteinin kondensaation havainnointi ei kuitenkaan ole sama asia kuin superfluiditeetin tarkkailu. Nämä ryhmät ja Ecole Normale Superieure Pariisissa, Duke University ja Rice University tekivät lisätutkimuksia, mutta todisteet superfluiditeetista olivat epäselviä tai epäsuoraa.
MIT:ssä luotu supernesteinen Fermi-kaasu voi toimia myös helposti ohjattavana mallijärjestelmänä tutkia paljon tiheämpien fermionisten aineiden muotoja, kuten kiinteitä suprajohtimia, neutronitähtiä tai varhaisessa universumissa ollut kvarkkigluoniplasmaa.
MIT-tutkimusta tukivat National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA ja Army Research Office.
Alkuperäinen lähde: MIT:n uutistiedote
