גז מיותר מסתובב של פרמיונים מנוקב במערבולות. קרדיט תמונה: MIT. לחץ להגדלה.
מדעני MIT הביאו קץ לקריר-על למירוץ סוער בקרב הפיזיקאים: הם הפכו לראשונים ליצור סוג חדש של חומר, גז אטומים שמראה על שטחיות גבוהה בטמפרטורה.
עבודתם, עליה ידווח בגיליון הטבע של הטבע ביוני 23 ביוני, קשורה קשר הדוק למוליכות העל של אלקטרונים במתכות. תצפיות על נוזלים עלולים לסייע בפתרון שאלות מתמשכות לגבי מוליכות על בטמפרטורה גבוהה, שיש לה יישומים נרחבים למגנטים, חיישנים והובלת חשמל יעילה באנרגיה, אמר וולפגנג קטרל, חתן פרס נובל העומד בראש קבוצת MIT ומיהו ג'ון ד. מקארתור. פרופסור לפיזיקה.
לראות את הגז המופרז בצורה כה ברורה זה צעד כה דרמטי, עד שדן קלפנר, מנהל מרכז MIT-Harvard אטומי אולטרה-קולד, אמר, "זה לא אקדח מעשן לשטחיות. זה תותח. "
קבוצות מחקר ברחבי העולם חוקרות מזה מספר שנים גזים קרים של אטומים פרמיוניים כביכול, כשהמטרה הסופית היא למצוא צורות חדשות של עודף. גז מיותר יכול לזרום ללא התנגדות. ניתן להבדיל אותו בבירור מגז רגיל כאשר הוא מסתובב. גז רגיל מסתובב כמו חפץ רגיל, אך נוזל-על יכול להסתובב רק כאשר הוא יוצר מערבולות הדומות למיני טורנדו. זה נותן למראה נוזל מסתובב של גבינה שוויצרית, שם החורים הם ליבות מיני-טורנדו. "כשראינו את התמונה הראשונה של המערבולות מופיעה על מסך המחשב, זה פשוט היה עוצר נשימה", אמר הסטודנט לתואר שני, מרטין זווארליין, כשהוא נזכר בערב ה- 13 באפריל, אז ראה הצוות לראשונה את הגז המופרז. במשך כמעט שנה הצוות עבד על ייצור שדות מגנטיים וקורות לייזר עגולים מאוד כך שניתן יהיה לכוון את הגז לסיבוב. "זה היה כמו לחתוך את הבליטות מהגלגל בכדי להפוך אותו לעגל בצורה מושלמת", הסביר זווילאליין.
"בנוזל-נוזלים, כמו גם במוליכי-על, חלקיקים נעים במנעול. הם יוצרים גל קוונטי-מכני גדול אחד, "הסביר קטרלה. תנועה כזו מאפשרת למוליכי-על לשאת זרמים חשמליים ללא התנגדות.
צוות ה- MIT הצליח לראות את המערבולות המיותרות הללו בטמפרטורות קרות במיוחד, כאשר מקור הגז הפרמיוני לכ -50 מיליארד מעלות קלווין, קרוב מאוד לאפס מוחלט (-273 מעלות צלזיוס או -459 מעלות צלזיוס). "זה אולי נשמע מוזר לקרוא superfluidity ב 50 Nanokelvin Superfluidity בטמפרטורה גבוהה, אבל מה שחשוב זה הטמפרטורה שמורמלת על ידי צפיפות החלקיקים", אמר קטרלה. "השגנו עכשיו ללא ספק את הטמפרטורה הגבוהה ביותר אי פעם." בקנה מידה גבוה עד לצפיפות האלקטרונים במתכת, טמפרטורת המעבר הנוזלית בגזים אטומיים תהיה גבוהה מטמפרטורת החדר.
חברי הצוות של קטרל היו סטודנטים לתארים מתקדמים ב- MIT זווילאליין, אנדרה שירוצק וכריסטיאן שונק, כולם חברים במרכז אטומי אולטרה-קולד, וכן הסטודנט לתואר שני לשעבר ג'מיל אבו-שייר.
הצוות צפה בשטחיות פרמיונית באיזוטופ הליתיום -6 הכולל שלושה פרוטונים, שלושה נויטרונים ושלושה אלקטרונים. מכיוון שמספר המרכיבים הכולל הוא מוזר, ליתיום -6 הוא פרמיון. בעזרת טכניקות קירור של לייזר ואידוי הם קיררו את הגז קרוב לאפס מוחלט. לאחר מכן הם לכדו את הגז במוקד קרן לייזר אינפרא אדום; השדות החשמליים והמגנטיים של האור האינפרא אדום החזיקו את האטומים במקום. השלב האחרון היה לסובב קרן לייזר ירוקה סביב הגז כדי להכניס אותו לסיבוב. תמונת צל של הענן הראתה את התנהגותה המיותרת: הענן נקבבה על ידי מערך קבוע של מערבולות, כל אחת בערך באותו גודל.
היצירה מבוססת על היצירה הקודמת של קבוצת MIT של עיבוי Bose-Einstein, סוג של חומר בו החלקים מתעבים ומשמשים כגל גדול אחד. אלברט איינשטיין ניבא תופעה זו בשנת 1925. מדענים הבינו לימים כי עיבוי ובוזה של בוס-איינשטיין קשורים זה לזה.
עיבוי של בוס-איינשטיין של זוגות פרמיונים אשר נקשרו יחד באופן רופף כמולקולות נצפו בנובמבר 2003 על ידי צוותים עצמאיים באוניברסיטת קולורדו בבולדר, באוניברסיטת אינסברוק באוסטריה וב- MIT. עם זאת, התבוננות בעיבוי בוס-איינשטיין אינה זהה להתבוננות בשטחיות. מחקרים נוספים נערכו על ידי קבוצות אלה ובסופר-אקולה נורמלה בפריס, אוניברסיטת דיוק ואוניברסיטת רייס, אך עדויות לאי-נזילות היו מעורפלות או עקיפות.
גז פרמי מיותר שנוצר ב- MIT יכול לשמש גם כמערכת מודלים הניתנת לשליטה בקלות ללימוד תכונות של צורות צפופות בהרבה של חומר פרמיוני כמו מוליכי-על מוצקים, כוכבי נויטרונים או פלזמת הקווארק-גלון שהייתה ביקום הקדום.
מחקר ה- MIT נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, משרד המחקר הימי, נאס"א והמשרד לחקר הצבא.
המקור המקורי: מהדורת חדשות MIT
