Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами.
Физики из университета Дьюка сообщили в журнале Physical Review Letters, что им удалось наблюдать сверхтекучесть экзотической формы атомного конденсата, открытой лишь в начале этого года. Они предполагают, что исследование этого явления позволит понять особенности поведения столь различных физических систем, как высокотемпературные сверхпроводники и кварк-глюонная плазма.
Как известно, с середины 90-х годов специалисты по физике низких температур активно исследуют особые состояния материи - квантовые конденсаты. Их существование было предсказано еще 80 лет назад, однако первый конденсат удалось получить в эксперименте лишь в 1995 году.
Существование квантовых конденсатов непосредственно вытекает из статистической модели, описывающей поведение частиц с целым спином. Поскольку эта статистика носит славные имена индийского физика Шатьендраната Бозе и Альберта Эйнштейна, квантовые конденсаты, когда они оставались чисто теоретическими сущностями, также называли бозе-эйнштейновскими.
Если частицы, которые подчиняются статистике Бозе-Эйншнейна (их называют бозонами) охладить ниже так называемой температуры вырождения, то некоторые из них переходят в состояние с "нулевым" импульсом. Этот эффект имеет чисто квантовую природу - в классической физике нулевой импульс обретается лишь при температуре абсолютного нуля. При дальнейшем охлаждении доля таких частиц увеличивается и при достаточно низких температурах приближается к ста процентам. Можно сказать, что ниже температуры вырождения пространственно разделенные частицы застывают в одинаковом квантовом состоянии с минимально возможной энергией. Если заставить их двигаться, то и перемещаться они будут как единое целое - так и возникает сверхтекучесть.
Однако так ведут себя только бозоны, частицы с целым спином. Спин может принимать и полуцелые значения - одна вторая, три вторых и т.д. Поведением таких частиц руководит квантовая статистика иного рода, статистика Ферми-Дирака. Объекты такой статистики (фермионы) всегда ведут себя не вполне тождественно, поскольку природа запретила им пребывание в одинаковых состояниях. По этой причине даже при температуре абсолютного нуля квантовая конденсация индивидуальных фермионов абсолютно невозможна.
Однако этот вывод справедлив лишь для частиц, подчиняющихся статистике Ферми-Дирака. Между тем фермионы могут объединяться в пары, суммарный спин которых принимает уже не полуцелые, а целые значения. Спаренные фермионы в своем поведении обязаны руководствоваться статистикой Бозе-Эйнштейна и, следовательно, могут превращаться в квантовые конденсаты.
Первые конденсаты такого рода были экспериментально получены в прошлом году - в Австрии и в Соединенных Штатах. Исследователи из Университета Инсбрука создали бозе-эйнштейновский конденсат из атомов лития, обладающих полуцелым спином. Одновременно аналогичных результатов добились и американские физики из Университета Колорадо, только они работали с атомами калия-40. В обоих случаях были созданы условия, при которых атомы-фермионы объединились в очень тесные пары. Эти пары вели себя как молекулы с целым спином, в силу чего при глубоком охлаждении они образовали настоящий бозе-эйнштейновский конденсат.
Однако и теория, и опыт давно показали, что для конденсации фермионов столь сильное спаривание отнюдь не обязательно. Атомы гелия-3 являются фермионами, однако при температурах ниже 2,6 милликельвина при давлении в 34 атмосферы они все же начинают объединяться в слабо связанные пары (в этих условиях гелий-3 становится сверхтекучей жидкостью). Как известно, сверхпроводимость возникает потому, что в некоторых веществах электроны при очень низких температурах также формируют пары (куперовские пары) со слабой связью, которые перемещаются во внешнем электрическом поле сверхтекучим образом. Такие конденсаты не называют бозе-эйншейновскими, приберегая для них несколько причудливое название бардин-купер-шрифферовских (по имени Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера, создателей теории сверхпроводимости).
Теоретики предсказывали, что фермионы могут спариваться не настолько сильно, чтобы сформировать молекулы, но и не настолько слабо, чтобы дать начало рыхлым куперовским парам. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получили профессор Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder - CU-Boulder) Дебора Джин (Deborah S. Jin) и ее коллеги. Они охладили в оптической ловушке облачко фермионных атомов калия-40 до температуры, всего лишь на одну двадцатимиллионную долю градуса превышающую абсолютный нуль. Когда это облачко поместили в магнитное поле определенной конфигурации, атомы-фермионы превратились в бозонные пары, объединенные связью промежуточного типа. Из этих пар образовался квантовый конденсат, существование которого длилось в течение одной десятитысячной доли секунды. Первооткрыватели назвали такой конденсат резонансным, поскольку он возник на основе эффекта, известного как резонанс Фешбаха. Стоит отметить, что российские средства массовой информации сообщили об этом открытии с изрядным шумом, подчас жертвуя точностью.
Вот с таким-то резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6, и работали Джон Томас и его коллеги из Университета Дьюка. После формирования конденсата они ненадолго отключили, а затем вновь включили лазер, который удерживал газ из квазимолекул лития в оптическом капкане. Временное удаление лазерной "пробки" дало возможность этому газу расшириться, а возвращение ее на прежнее место это расширение прекратило. В результате таких манипуляций газ начал вибрировать подобно упругому желе (это можно видеть на приложенных фотоснимках). Анализ полученных данных убедил исследователей, что подобное поведение конденсата наиболее естественно объясняется тем, что он приобрел свойства сверхтекучей жидкости.
Конечно, это пока всего лишь правдоподобная интерпретация - прямых доказательств сверхтекучести фермионного конденсата еще не получено. Однако первые эксперименты редко бывают абсолютно убедительными, даже если позднее выводы экспериментаторов полностью подтверждаются.
Источник:
J. Kinast, S.L. Hemmer, M.E. Gehm, A. Turlapov, and J.E. Thomas
Evidence for Superfluidity in a Resonantly Interacting Fermi Gas
Phys. Rev. Lett. 92, 150402 (16 April 2004)
Обсудить
Дословно
Дебора Джин
Это открывает захватывающие перспективы для изучения сверхпроводимости и сверхтекучести в экстремальных состояниях, которые никогда не рассматривались прежде...
Сила связей в нашем фермионном конденсате, если ее привести к соотносимым массам и плотности, соответствовала бы сверхпроводнику комнатной температуры. Отсюда можно сделать оптимистический вывод: фундаментальная физика, которую мы изучаем посредством фермионных конденсатов, в конечном счете поможет создать сверхпроводящие материалы, имеющие практическое применение.
Статьи по теме
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Зубы Супермена могут служить сверхпроводником
Британские исследователи выяснили, что фосфор, элемент, как известно, содержащийся в человеческих зубах, может в принципе выступать в роли сверхпроводника. Правда человеку потребовалась бы мощь какого-нибудь Супермена, чтобы сжать свои зубы с силой, достаточной для достижения необходимого эффекта, поскольку переход в сверхпроводящее состояние произойдет лишь при давлении около 2,5 мегабар.
Новая теория шаровых молний
Джон Джилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Уфимским ученым за электропроводящие полимеры сулят "нобелевку"
Сенсационное открытие сделали башкирские ученые. Оно совершит переворот в мире физики. Сотрудники уфимского Института физики молекул и кристаллов заставили бежать электрический ток по полимерам. До сих пор ни одному научному институту мира такого не удавалось. По всей видимости, еще большее значение подобное открытие будет иметь для грядущей эры нанотехнологий.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Новости по теме
