О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: https://grani-ru-org.appspot.com/Society/Science/m.67112.html

статья Музыка сверххолодных атомов

Алексей Левин (Вашингтон), 14.04.2004
Реклама

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)

Алексей Левин (Вашингтон), 14.04.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама



Выбор читателей