Το φερμιονικό συμπύκνωμα κάνει το ντεμπούτο του

Από σελίδα του PhysicsWeb, 28 Ιανουαρίου 2004

Φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν δημιουργήσει για πρώτη φορά την 6η κατάσταση της ύλης, αν και μπορεί να πραγματοποιηθεί πολύ δύσκολα, γνωστή ως "φερμιονικό συμπύκνωμα". Οι Deborah Jin, Markus Greiner και Cindy Regal στο εργαστήριο JILA στο Boulder του Κολοράντο,  έκαναν το συμπύκνωμα αυτό από ζεύγη φερμιονικών υπέρψυχρων ατόμων.

Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα την υπεραγωγιμότητα και την υπερρευστότητα.

"Η δράση του ζεύγους στο φερμιονικό συμπύκνωμά μας θα αντιστοιχούσε σε έναν υπεραγωγό σε θερμοκρασία δωματίου", είπε η Jin σε μια συνέντευξη τύπου. "Αυτό με κάνει αισιόδοξη ότι η θεμελιώδης φυσική που μαθαίνουμε μέσω των φερμιονικών  συμπυκνωμάτων θα βοηθήσει τελικά άλλους να σχεδιάσουν πιο πρακτικά υπεραγωγικά υλικά".

Φερμιόνια και μποζόνια

Τα άτομα συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά στις θερμοκρασίες κοντά σε απόλυτο μηδέν ανάλογα με την τιμή της εγγενούς ιδιοπεριστροφής τους ή του spin. Τα μποζόνια έχουν spins που ισούται με ακέραιο πολλαπλάσιο της σταθεράς του Planck διαιρεμένης δια 2π, ενώ τα φερμιόνια έχουν spins ημιακέραιο πολλαπλάσιο (1/2, 3/2, 5/2...).

Τα φερμιόνια ως γνωστόν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, κάτι που σημαίνει ότι δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Εντούτοις, δεν υπάρχει κανένας τέτοιος περιορισμός για τα μποζόνια, έτσι μπορούν όλα να καταρρεύσουν στην ίδια κβαντική θεμελιώδη κατάσταση. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein (η 5η γνωστή κατάσταση της ύλης μετά τη στερεά, υγρή, αέρια και πλάσμα), είναι η καρδιά της υπεραγωγιμότητας - μια ηλεκτρική ροή χωρίς οποιαδήποτε αντίσταση.

Επειδή τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια πρέπει να σχηματίσουν ζεύγη Cooper - που ονομάζονται έτσι από το όνομα του Leon Cooper, έναν από τη τριάδα των φυσικών που ανέπτυξαν τη θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) για την υπεραγωγιμότητα - προτού αυτά μπορέσουν να σχηματίσουν ένα συμπύκνωμα Bose. Εάν αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να προσαρμοστεί σε ένα αέριο φερμιονικών ατόμων, θα είναι δυνατόν να μάθουμε πολύ περισσότερα για την υπεραγωγιμότητα.

Η ομάδα JILA

Το φθινόπωρο του 2003 η ομάδα των φυσικών στο Boulder και, ανεξάρτητα από αυτούς, μια άλλη ομάδα στο Ίνσμπρουκ κατόρθωσαν να σχηματίσουν ένα μοριακό συμπύκνωμα από ένα αέριο φερμιονικών ατόμων. Τα άτομα σε ένα μόριο είναι εντονότερα συνδεδεμένα από τα άτομα σε ένα ζεύγος Cooper.

Τώρα, η ομάδα JILA έχει κάνει ένα συμπύκνωμα από ζευγάρια μεμονωμένων φερμιονικών ατόμων σε ένα αέριο. Τα δύο φερμιόνια δεν είναι συνδεδεμένα σε ένα μόριο αλλά απλά κινούνται μαζί με έναν συσχετισμένο τρόπο. Συλλογικά το ζεύγος αυτό ενεργεί ως ένα μποζόνιο και μπορεί επομένως να υποβληθεί σε συμπύκνωση.

Η Jin και οι συνάδελφοι της ξεκίνησαν με ένα αέριο  ατόμων καλίου-40 (που είναι φερμιόνια), σε ένα θάλαμο υψηλού κενού, με μια οπτική παγίδα από λέιζερ σε μια θερμοκρασία περίπου 300 nanoKelvin. Τα άτομα σε αυτή την θερμοκρασία σταματούν να κινούνται.  Έπειτα, εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο για να αλλάξουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων και να δημιουργήσουν ένα "συντονισμό Fesbach" στην οποία η αλληλεπίδραση (η δύναμη) αλλάζει από ισχυρά απωστική σε, ιδιαίτερα, ισχυρή ελκτική. Εάν η τιμή του μαγνητικού πεδίου επιλεχθεί κατάλληλα, τα άτομα αντί να σχηματίσουν μόρια κάνουν ζεύγη Cooper. Μιμούνται, δηλαδή, τα ηλεκτρόνια που παράγουν την υπεραγωγιμότητα.

Δεξιά: Η νέα κατάσταση της ύλης·  το φερμιονικό συμπύκνωμα της ύλης.

Για να επιβεβαιώσουν όμως ότι είχαν παραγάγει ένα συμπύκνωμα από ζεύγη ατόμων - και όχι ένα μοριακό συμπύκνωμα όπως στην προηγούμενη εργασία τους - η Jin και οι συνάδελφοι της μετασχημάτισαν πραγματικά τα ζεύγη σε μόρια. Κι αυτό το έκαναν εφαρμόζοντας ένας δεύτερο μαγνητικό πεδίο - που είχε ακριβώς τη σωστή ισχύ για να δημιουργήσει μόρια - και συγχρόνως ανοίγοντας την οπτική παγίδα. Αυτό τους βοήθησε να παρατηρήσουν τη χαρακτηριστική μορφή ενός συμπυκνωμένου νέφους (σχήμα). Σύμφωνα με την ομάδα JILA, η αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο μπορεί να τα αναγκάσει να σχηματίσουν μόρια, αλλά οι αλλαγές είναι πάρα πολύ γρήγορες για να δημιουργήσουν ένα μοριακό συμπύκνωμα.

"Αναμένουμε ότι τα φερμιονικά συμπυκνώματα που έχουμε παρατηρήσει θα φανερώσουν υπέρρευστη συμπεριφορά", εξηγεί η Jin. "Αντιπροσωπεύουν μια νέα φάση που βρίσκεται στο σταυροδρόμι μεταξύ των υπεραγωγών και των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein. Ανοίγει λοιπόν ο δρόμος για να μελετηθεί η υπεραγωγιμότητα και τα υπέρρευστα φαινόμενα κάτω από ακραίες συνθήκες, που ποτέ πριν δεν έχουν υπάρξει".

Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein δημιουργήθηκαν τα μέσα της δεκαετίας του '90 και η ανακάλυψή τους  χάρισε το Νόμπελ Φυσικής του 2001 στους δημιουργούς του.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Μεγάλο βήμα στην αγωγιμότητα: Περισσότερο κοινωνικά σωματίδια
Ψυχρή έρευνα εξετάζει τη συμπύκνωση των ατόμων
Το υγρό υδρογόνο γίνεται υπερρευστό
Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες
Joint Institute for Laboratory Astrophysics
Home