En roterende overflødig gas af fermioner gennemboret med hvirvler. Billedkredit: MIT. Klik for at forstørre.
MIT-forskere har bragt en supercool-ende til en opvarmet race blandt fysikere: De er blevet de første til at skabe en ny type stof, en gas med atomer, der viser overfladetemperatur ved høj temperatur.
Deres arbejde, der skal rapporteres i 23. juni-udgaven af Nature, er tæt knyttet til superledningen af elektroner i metaller. Observationer af superfluider kan hjælpe med at løse dvælende spørgsmål om højtemperatur-superledningsevne, der har udbredte anvendelser til magneter, sensorer og energieffektiv transport af elektricitet, sagde Wolfgang Ketterle, en nobelprisvinder, der leder MIT-gruppen og som er John D. MacArthur Professor i fysik.
At se den overfladiske gas så tydeligt er et så dramatisk skridt, at Dan Kleppner, direktør for MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, sagde: ”Dette er ikke en rygerpistol til overfladighed. Dette er en kanon. ”
I adskillige år har forskergrupper over hele verden undersøgt kolde gasser af såkaldte fermioniske atomer med det endelige mål at finde nye former for overfluiditet. En overflødig gas kan strømme uden modstand. Det kan tydeligt skelnes fra en normal gas, når den drejes. En normal gas roterer som en almindelig genstand, men en overfladisk væske kan kun rotere, når den danner hvirvler, der ligner mini-tornadoer. Dette giver en roterende overflødig udseende af schweizisk ost, hvor hullerne er kernerne i mini-tornadoer. ”Da vi så det første billede af hvirvlerne vises på computerskærmen, var det simpelthen betagende,” sagde kandidatstuderende Martin Zwierlein i huskningen om aftenen 13. april, da teamet første gang så den overfladiske gas. I næsten et år havde teamet arbejdet på at gøre magnetfelter og laserstråler meget runde, så gassen kunne sættes i rotation. ”Det var som at slibe bulerne fra et hjul for at gøre det perfekt rundt,” forklarede Zwierlein.
”I superfluider såvel som i superledere bevæger partikler sig i låsestiften. De danner en stor kvantemekanisk bølge, ”forklarede Ketterle. En sådan bevægelse tillader superledere at bære elektriske strømme uden modstand.
MIT-teamet var i stand til at se disse overflødige hvirvler ved ekstremt kolde temperaturer, da den fermioniske gas blev afkølet til ca. 50 milliarder af en grad af Kelvin, meget tæt på absolut nul (-273 grader C eller -459 grader F). ”Det lyder måske underligt at kalde superfluiditet ved 50 nanokelvin højtemperaturoverfluiditet, men hvad der betyder noget er temperaturen normaliseret af partiklenes tæthed,” sagde Ketterle. ”Vi har nu opnået den langt højeste temperatur nogensinde.” Skaleret op til massefylden af elektroner i et metal ville den overfladiske overgangstemperatur i atomgasser være højere end stuetemperatur.
Ketterles teammedlemmer var MIT-studerende Zwierlein, Andre Schirotzek og Christian Schunck, som alle er medlemmer af Center for Ultracold Atoms samt den tidligere kandidatstuderende Jamil Abo-Shaeer.
Holdet observerede fermionisk superfluiditet i lithium-6-isotopen omfattende tre protoner, tre neutroner og tre elektroner. Da det samlede antal bestanddele er underligt, er lithium-6 en fermion. Ved hjælp af laser- og fordampningsafkølingsteknikker afkølede de gassen tæt på absolut nul. De fangede derefter gassen i fokus af en infrarød laserstråle; de elektriske og magnetiske felter i det infrarøde lys holdt atomerne på plads. Det sidste trin var at dreje en grøn laserstråle rundt om gassen for at sætte den i rotation. Et skyggebillede af skyen viste sin overflødige opførsel: Skyen blev gennemboret af en regelmæssig række hvirvler, hver i samme størrelse.
Værket er baseret på MIT-gruppens tidligere oprettelse af Bose-Einstein-kondensater, en form for stof, hvor partikler kondenserer og fungerer som en stor bølge. Albert Einstein forudsagde dette fænomen i 1925. Videnskabsfolk indså senere, at Bose-Einstein kondensation og superfluiditet er tæt forbundet.
Bose-Einstein-kondensation af par fermioner, der var løst bundet sammen som molekyler, blev observeret i november 2003 af uafhængige hold ved University of Colorado i Boulder, University of Innsbruck i Østrig og på MIT. At observere Bose-Einstein-kondensation er imidlertid ikke det samme som at observere overfluiditet. Yderligere undersøgelser blev foretaget af disse grupper og på Ecole Normale Superieure i Paris, Duke University og Rice University, men beviset for overfluiditet var tvetydig eller indirekte.
Den overfladiske Fermi-gas, der er skabt ved MIT, kan også tjene som et let kontrollerbart systemsystem til at studere egenskaber ved langt tættere former for fermionisk stof, såsom faste superledere, neutronstjerner eller quark-gluon-plasma, der eksisterede i det tidlige univers.
MIT-forskningen blev støttet af National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA og Army Research Office.
Originalkilde: MIT News Release
