En roterande överflödig gas av fermioner genomborrade med virvlar. Bildkredit: MIT. Klicka för att förstora.
MIT-forskare har fört en superkylslutt till ett upphettat lopp bland fysiker: De har blivit de första som skapade en ny typ av materia, en gas med atomer som visar superfluiditet vid hög temperatur.
Deras arbete, som kommer att rapporteras i 23 juni-numret av Nature, är nära besläktat med supraledningsförmågan hos elektroner i metaller. Observationer av superfluider kan hjälpa till att lösa kvarvarande frågor om högtemperatur superledningsförmåga, som har utbredda tillämpningar för magneter, sensorer och energieffektiv transport av elektricitet, säger Wolfgang Ketterle, en nobelpristagare som leder MIT-gruppen och som är John D. MacArthur Professor i fysik.
Att se den överflödiga gasen så tydligt är ett så dramatiskt steg att Dan Kleppner, chef för MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, sa: ”Detta är inte en rökningspistol för överflödighet. Det här är en kanon. ”
Under flera år har forskargrupper runt om i världen studerat kalla gaser av så kallade fermioniska atomer med det slutliga målet att hitta nya former av överflödighet. En överflödig gas kan strömma utan motstånd. Det kan tydligt skiljas från en normal gas när den roteras. En normal gas roterar som ett vanligt föremål, men en överflödig vätska kan bara rotera när den bildar virvlar som liknar minitornadoer. Detta ger ett roterande överflödigt utseende på schweizisk ost, där hålen är kärnorna i minitornadon. "När vi såg den första bilden av virvlarna visas på datorskärmen, var det helt enkelt hisnande," sa doktoranden Martin Zwierlein när han påminde om kvällen den 13 april, då teamet först såg den överflödiga gasen. Under nästan ett år hade teamet arbetat med att göra magnetfält och laserstrålar mycket runda så att gasen kunde ställas i rotation. "Det var som att slipa bulorna från ett hjul för att göra det perfekt runt", förklarade Zwierlein.
”I superfluider såväl som i superledare rör sig partiklar i låssteg. De bildar en stor kvantmekanisk våg, förklarade Ketterle. En sådan rörelse tillåter superledare att bära elektriska strömmar utan motstånd.
MIT-teamet kunde se dessa överflödiga virvlar vid extremt kalla temperaturer, när den fermioniska gasen kyldes till cirka 50 miljarder delar av Kelvin, mycket nära absolut noll (-273 grader C eller -459 grader F). "Det kan låta konstigt att kalla superfluiditet vid 50 nanokelvin högtemperatur superfluiditet, men det som är viktigt är temperaturen normaliserad av partiklens täthet," sade Ketterle. "Vi har nu uppnått den överlägset högsta temperaturen någonsin." Skalad upp till densiteten för elektroner i en metall skulle den överflödiga övergångstemperaturen i atomgaser vara högre än rumstemperatur.
Ketterles teammedlemmar var MIT-doktorander Zwierlein, Andre Schirotzek och Christian Schunck, som alla är medlemmar i Center for Ultracold Atoms, samt den tidigare doktorand Jamil Abo-Shaeer.
Teamet observerade fermionisk superfluiditet i litium-6-isotopen innefattande tre protoner, tre neutroner och tre elektroner. Eftersom det totala antalet beståndsdelar är udda är litium-6 en fermion. Med hjälp av laser och indunstande kylningstekniker kyldes de gasen nära absolut noll. De fångade sedan gasen i fokus för en infraröd laserstråle; infraröda ljusets elektriska och magnetiska fält höll atomerna på plats. Det sista steget var att snurra en grön laserstråle runt gasen för att sätta den i rotation. En skuggbild av molnet visade dess överflödiga beteende: Molnet var genomborrad av ett regelbundet antal vortices, var och en i samma storlek.
Arbetet är baserat på MIT-gruppens tidigare skapelse av Bose-Einstein-kondensat, en form av materia där partiklar kondenserar och fungerar som en stor våg. Albert Einstein förutspådde detta fenomen 1925. Forskare insåg senare att Bose-Einstein kondensation och överflödighet är nära relaterade.
Bose-Einstein kondensation av par av fermioner som var löst bundna ihop som molekyler observerades i november 2003 av oberoende team vid University of Colorado i Boulder, University of Innsbruck i Österrike och vid MIT. Att observera Bose-Einstein-kondens är dock inte detsamma som att observera överflödighet. Ytterligare studier gjordes av dessa grupper och vid Ecole Normale Superieure i Paris, Duke University och Rice University, men bevisen för överflödighet var tvetydig eller indirekt.
Den överflödiga Fermi-gasen som skapats vid MIT kan också tjäna som ett lätt kontrollerbart modellsystem för att studera egenskaper hos mycket tätare former av fermioniskt material, såsom fasta superledare, neutronstjärnor eller kvark-gluonplasma som fanns i det tidiga universum.
MIT-forskningen stöds av National Science Foundation, Office of Naval Research, NASA och Army Research Office.
Originalkälla: MIT News Release
