Ψυχρή έρευνα εξετάζει τη συμπύκνωση των ατόμων

Από την ιστοσελίδα του BBC, 14 Νοεμβρίου 2003

Υπεράτομο: Μια συμπύκνωση Bose-Einstein

Δύο ομάδες ερευνητών, από την Αυστρία  και τις ΗΠΑ, έχουν ψύξει ένα νέφος διαφορετικών μορίων έως ότου έγιναν ένα, ουσιαστικά, πολύ μεγάλο υπεράτομο. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science.

Αν και δεν είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται συμπύκνωση κατά Bose-Einstein, αυτή κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μόρια κι όχι άτομα.

Αν και πολλές ερευνητικές ομάδες προσπαθούσαν να το κάνουν ο Rudolf Grimm του Πανεπιστημίου του  Innsbruck στην Αυστρία, και οι συνεργάτες του είναι οι πρώτοι που δημοσιεύουν πρώτοι τα ευρήματα τους.

Αυτά τα άτομα ζευγαρώνουν καθώς ψύχονται, μεταβαλλόμενος τις ιδιότητες του αερίου, όπως είναι το σπιν και επιτρέποντας έτσι μια καλή γνώση της φύσης του.

Η υπεραγωγιμότητα - το φαινόμενο στο οποίο η ηλεκτρική αντίσταση εξαφανίζεται σε ένα υλικό - μπορεί να γίνει κατανοητή καλύτερα λόγω αυτής της πιο πρόσφατης έρευνας.

Νέες ιδιότητες

Το 1995 οι επιστήμονες έκαναν για πρώτη φορά ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (Bec) όταν έψυξαν ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου και νατρίου σε θερμοκρασία μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν επάνω από το απόλυτο μηδέν, την πιο μικρή θερμοκρασία που ένα σώμα μπορεί να πάρει (μείον 273 Κελσίου).

Γι' αυτόν τον άθλο οι ερευνητές κέρδισαν ένα βραβείο Νόμπελ.

Κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα άτομα αλληλεπιδρούν με τέτοιο τρόπο ώστε να γίνουν, στην πραγματικότητα, ένα ενιαίο γιγαντιαίο άτομο.

Το πρώτο BEC έχει μοναδικές ιδιότητες που θα βοηθήσει τους επιστήμονες να εξετάσουν τη βασική συμπεριφορά της ύλης.

Αναμένεται, επίσης, όταν κατανοηθεί πλήρως το συμπύκνωμα να έλθουν εφαρμογές του σε πεδία που περιλαμβάνουν μετρήσεις ακριβείας και τη νανοτεχνολογία - κάνοντας μικροσκοπικές δομές όπως αυτές που χρησιμοποιούνται στα τσιπ των υπολογιστών.

Νέος χορός

Τώρα οι ερευνητές, στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ, της Αυστρίας, και ενός κοινού Ινστιτούτου για την Εργαστηριακή Αστροφυσική στο Κολοράντο, ΗΠΑ, έχουν κάνει Bec χρησιμοποιώντας ένα διαφορετικό μίγμα ατόμων.

Η μία ομάδα χρησιμοποίησε Κάλιο- 40 και η άλλη Λίθιο-6, άτομα που διαφέρουν σε βασικές ιδιότητες από τα μέχρι τώρα άτομα που χρησιμοποιούνταν.

Τα μόρια, που είναι πιο σύνθετα από τα άτομα, είναι πιο δύσκολο να βρεθούν στην ίδια κατάσταση.

Η ομάδα του Grimm χρησιμοποίησε laser για να ψύξει ένα νέφος αερίου με άτομα λιθίου. Καθώς η θερμοκρασία έπεφτε, τα άτομα σχημάτιζαν ασθενείς χημικούς δεσμούς, ζευγαρώνοντας σε μόρια λιθίου. Σε αυτήν την κατάσταση, το αέριο ήταν αρκετά σταθερό ώστε να σχηματίσει ένα BEC.

Το συμπύκνωμα των μορίων αποτελούνταν από 150.000 μόρια λιθίου και διήρκεσε 20 δευτερόλεπτα, αντί για χιλιοστά του δευτερολέπτου όπως τα περισσότερα BEC.

"Για να πάρεις μόρια που διαρκούν σε μια συμπύκνωση τόσο πολύ είναι καταπληκτικό", λέει η Deborah Jin του πανεπιστημίου του Colorado στο Boulder. Η ομάδα της δημοσίευσε μια εργασία online την περασμένη Παρασκευή, περιγράφοντας τις εργασίες της για το BEC από μόρια καλίου.

Η σημαντικότερη διαφορά σε αυτό το πλαίσιο είναι ότι τα νέα άτομα, πχ του λιθίου, που χρησιμοποιήθηκαν, είναι χαρακτηρισμένα ως φερμιόνια.

Όταν όμως τα άτομα ενώνονται σε μόρια, το λίθιο μεταπίπτει σε μια άλλη κατηγορία σωματιδίων, τα μποζόνια, που μπορούν να συνυπάρχουν.

Αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα φερμιόνια συνδυάζονται καθώς ψύχεται το αέριο έτσι ώστε ο συνδυασμός να έχει άθροισμα ακέραιο σπιν. Στην πραγματικότητα, δύο φερμιόνια συμπεριφέρονται ως ένα μποζόνιο.

Το BΕC λιθίου καταλαμβάνει μια ενδιάμεση κατάσταση ανάμεσα στα φερμιόνια και τα μποζόνια. Κάποια από τα μόρια μέσα σε αυτό μπορεί να διαχωριστούν πάλι προς την κατάσταση των φερμιονικών ατόμων. Αυτά μπορούν τότε να σχηματίσουν ζεύγη που είναι υπεραγωγοί, αλλά όχι συμπυκνωμένα.

Τα ατομικά σωματίδια μπορούν να διαιρεθούν είτε σε φερμιόνια είτε σε μποζόνια, ανάλογα με μια ιδιότητα, που λέγεται στην κβαντική μηχανική, spin.

Τα μποζόνια έχουν ακέραιο spin, όπως είναι τα φωτόνια που έχουν σπιν 1.

Τα φερμιόνια, όπως είναι τα ηλεκτρόνια που έχουν σπιν 1/2, έχουν ημιακέραιο σπιν. Άλλα φερμιόνια είναι τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Έτσι μπορούμε να μελετήσουμε τα άστρα των νετρονίων που είναι φερμιόνια.

Μελλοντικοί κόσμοι

Αυτό το φαινόμενο μπορεί να ρίξει νέο φως στην υπεραγωγιμότητα, στο φαινόμενο που η ηλεκτρική αντίσταση εξαφανίζεται σε ένα υλικό. Τα αποτελέσματά του θεωρούνται ότι μπορούν να προκύψουν όταν ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν για να συμπεριφερθούν όπως τα μποζόνια.

Κάποιοι που έκαναν θεμελιώδεις έρευνες στους υπεραγωγούς κέρδισαν το φετινό βραβείο Νόμπελ για τη φυσική.

Τα υπεραγωγικά υλικά γίνονται από μέταλλα, κράματα και κεραμικές ενώσεις.

Η έλλειψη της ηλεκτρικής αντίστασής τους, έχει οδηγήσει τους φυσικούς να τα χρησιμοποιούν στην κατασκευή ισχυρών μαγνητών, όπως εκείνοι που βρίσκονται στους σαρωτές της πυρηνικής μαγνητικής τομογραφίας (MRI), που εξετάζουν τους ιστούς του σώματος.

Στους συγκρουστές των ατόμων χρησιμοποιούν επίσης αυτούς τους μαγνήτες, για να εκσφενδονίσουν  το ένα σωματίδιο στο άλλο, για να μελετήσουν τις θεμελιώδεις ιδιότητες της ύλης.

Το πεδίο αυτό υπόσχεται σημαντικές βελτιώσεις στην κατασκευή πολύ γρήγορων υπερυπολογιστών αλλά και στην παραγωγή, την αποθήκευση και την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας.