En roterende overflødig gass av fermioner gjennomboret med virvler. Bildekreditt: MIT. Klikk for å forstørre.
MIT-forskere har brakt en superkjølende slutt på et opphetet løp blant fysikere: De har blitt de første til å skape en ny type materie, en gass med atomer som viser overfluiditet ved høy temperatur.
Arbeidet deres, som skal rapporteres i 23. juni-utgaven av Nature, er nært beslektet med superledelsen til elektroner i metaller. Observasjoner av superfluider kan bidra til å løse dvelende spørsmål om høy temperatur superledningsevne, som har utbredte anvendelser for magneter, sensorer og energieffektiv transport av elektrisitet, sa Wolfgang Ketterle, en nobelprisvinner som leder MIT-gruppen og som er John D. MacArthur Professor i fysikk.
Å se den overflødige gassen så tydelig er et så dramatisk skritt at Dan Kleppner, direktør for MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, sa: “Dette er ikke en røykepistol for overflødighet. Dette er en kanon. ”
I flere år har forskningsgrupper rundt om i verden studert kalde gasser med såkalte fermioniske atomer med det endelige målet å finne nye former for overflødighet. En overflødig gass kan strømme uten motstand. Den kan tydelig skilles fra en vanlig gass når den roteres. En normal gass roterer som en vanlig gjenstand, men en overflødig væske kan bare rotere når den danner virvler som ligner på mini-tornadoer. Dette gir en roterende overflødig utseende av sveitsisk ost, der hullene er kjernene til minitornadoer. "Da vi så det første bildet av virvlene vises på dataskjermen, var det rett og slett fantastisk," sa doktorgradsstudent Martin Zwierlein da han minnet kvelden 13. april, da teamet først så den overflødige gassen. I nesten et år hadde teamet jobbet med å lage magnetfelt og laserstråler veldig rundt slik at gassen kunne stilles i rotasjon. "Det var som å pusse støtene av et hjul for å gjøre det perfekt rundt," forklarte Zwierlein.
“I superfluider, så vel som i superledere, beveger partikler seg i låsestrengen. De danner en stor kvantemekanisk bølge, forklarte Ketterle. En slik bevegelse gjør at superledere kan føre elektriske strømmer uten motstand.
MIT-teamet var i stand til å se disse overflødige virvler ved ekstremt kalde temperaturer, da den fermioniske gassen ble avkjølt til omtrent 50 milliarddeler av en grad av Kelvin, veldig nær absolutt null (-273 grader C eller -459 grader F). "Det kan høres rart ut å kalle superfluiditet ved 50 nanokelvin overtemperatur for høy temperatur, men det som betyr noe er temperaturen normalisert av tettheten til partiklene," sa Ketterle. "Vi har nå oppnådd den klart høyeste temperaturen noensinne." Skaleret opp til tettheten av elektroner i et metall, ville overfluidovergangstemperaturen i atomgasser være høyere enn romtemperatur.
Ketterles teammedlemmer var MIT-studenter Zwierlein, Andre Schirotzek og Christian Schunck, som alle er medlemmer av Center for Ultracold Atoms, samt tidligere forskerstudent Jamil Abo-Shaeer.
Teamet observerte fermionisk superfluiditet i litium-6-isotopen bestående av tre protoner, tre nøytroner og tre elektroner. Siden det totale antall bestanddeler er merkelig, er litium-6 en fermion. Ved bruk av laser og fordampende kjøleteknikk avkjølte de gassen nær absolutt null. De fanget deretter gassen i fokus av en infrarød laserstråle; de elektriske og magnetiske feltene i det infrarøde lyset holdt atomene på plass. Det siste trinnet var å snurre en grønn laserstråle rundt gassen for å sette den i rotasjon. Et skyggebilde av skyen viste sin overflødige oppførsel: Skyen ble gjennomboret av et vanlig utvalg av virvler, hver i samme størrelse.
Arbeidet er basert på MIT-gruppens tidligere opprettelse av Bose-Einstein kondensater, en form for materie der partikler kondenserer og fungerer som en stor bølge. Albert Einstein spådde dette fenomenet i 1925. Forskere innså senere at Bose-Einstein kondensasjon og overflødighet er nært beslektet.
Bose-Einstein kondensering av par fermioner som ble bundet sammen løst som molekyler ble observert i november 2003 av uavhengige team ved University of Colorado i Boulder, University of Innsbruck i Østerrike og ved MIT. Å observere kondens av Bose-Einstein er imidlertid ikke det samme som å observere overflødighet. Ytterligere studier ble gjort av disse gruppene og ved Ecole Normale Superieure i Paris, Duke University og Rice University, men beviset for overflødighet var tvetydig eller indirekte.
Den overflødige Fermi-gassen som ble opprettet ved MIT, kan også tjene som et lett kontrollerbart modellsystem for å studere egenskaper til mye tettere former for fermionisk materiale som faste superledere, nøytronstjerner eller kvark-gluonplasma som fantes i det tidlige universet.
MIT-forskningen ble støttet av National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA og Army Research Office.
Originalkilde: MIT News Release
