.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.100258.html

статья Материю кварковых звезд отыскали в новой форме сверхтекучести

Максим Борисов, 31.12.2005
Трехмерное изображение фазы разделяющегося атомного облака. Высокий центральный пик состоит из соединенных фермионных атомов лития-6, он, как полагают, отмечает сверхтекучее состояние. Изображение Университета Райса с сайта www.sciencedaily.com
Трехмерное изображение фазы разделяющегося атомного облака. Высокий центральный пик состоит из соединенных фермионных атомов лития-6, он, как полагают, отмечает сверхтекучее состояние. Изображение Университета Райса с сайта www.sciencedaily.com
Реклама

В мире квантовой механики, которым управляют весьма причудливые (на наш неискушенный взгляд) законы, каждой крошечной частице материи сопоставлена некая неотъемлемая характеристика - так называемый "спин", определяющий ее поведение, в частности, характер взаимодействия с другими единицами материи, совместное использование ими общего квантового пространства. Спином (от английского "spin" - вращаться, вертеться) в физике называют собственный момент количества движения частиц и атомов, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого (концепция введена в научный обиход в 1925 году Джорджем Уленбеком и Сэмюелем Гаудсмитом (G. Uhlenbeck, S. Goudsmit)). Для наглядности обычно предлагается представить себе вращающийся микроскопический волчок, но так как в случае фундаментальных частиц ни о каких "частях", вращающихся одна относительно другой, говорить уже не приходится, то аналогия с волчками, строго говоря, некорректна.

Спин частиц однозначно связан с типом статистики, которой они подчиняются. В свое время (в 1940 г.) известный австрийско-швейцарский физик Вольфганг Паули показал, что все частицы с целым спином (спин измеряется в единицах постоянной Планка, разделенной на 2π: 1, 2, 3 и т.д.) описываются статистикой Бозе-Эйнштейна (являются бозонами, вспомним фотоны, лазеры и когерентный свет), а с полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.) - Ферми-Дирака (фермионы; к ним относятся, например, всем известные протоны, нейтроны и электроны). Грубо говоря, фермионы (в отличие от бозонов) представляют собой тип "законченных индивидуалистов" и не могут находиться в тех квантовых состояниях, что уже заняли их соседи, однако способны попарно объединяться в своеобразном "танце", превращаясь таким образом в подобие бозонов (тогда полуцелые спины как бы складываются и дают целые). Эти пары родственны парам электронов (так называемым куперовским парам или парам Купера, за счет которых проявляется эффект сверхпроводимости, при котором электричество течет без всякого сопротивления (эффект Купера (L.Cooper, 1956) - образование связанных пар частиц в вырожденной системе фермионов при наличии сколь угодно слабого притяжения между ними. Любая вырожденная ферми-система с притяжением между частицами должна обладать свойством сверхпроводимости (сверхтекучести)).

На использование бозонов опирается создание так называемого бозе-конденсата (конденсата Бозе-Эйнштейна, 1995), за который Эрик Корнелл (Eric Cornell) и Карл Вейман (Carl Wieman) в 2001 году вместе с немецким ученым Вольфгангом Кеттерле (Wolfgang Ketterle) получили Нобелевскую премию по физике. Бозе-конденсат - это система из тысяч ультрахолодных частиц, при сильном охлаждении в какой-то момент занимающих одно-единственное самое низкоэнергетическое квантовое состояние, в котором все атомы ведут себя подобно одному огромному суператому. Но бозе-конденсаты состоят из бозонов, класса "чрезвычайно общительных" (если не сказать "стадных") частиц, которые всегда предпочитают "имитировать" поведение своего соседа и не "идти своим путем", а в начале прошлого года группа ученых из Объединенной лаборатории Национального института стандартов и технологии Министерства торговли США (Department of Commerce's National Institute of Standards and Technology - NIST) и Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder - CU-Boulder), работавшая с ультрахолодными температурами, сообщила о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата" (fermionic condensate), созданного из пар атомов в охлажденном газе.

Теперь же исследователи из американского Университета Райса (Rice University) сообщают о том, что преуспели в создании и наблюдении еще одного неуловимого и давно разыскиваемого квантового состояния частиц - сверхтекучей жидкости из фермионов, число и набор которых не позволяют им разбиваться строго попарно на "партнеров в общем танце". Несмотря на более чем 40-летнюю историю теоретизирования на эти темы, полученный результат - то есть скопление "согласованных" пар, окруженных облаком из "потенциальных партнеров для танцев", - оказался в значительной степени неожиданным. Данное исследование публикуется в ближайшем выпуске журнала Science вместе со статьей ученых из Массачусетского технологического института (MIT) со сходными результатами. Эти эксперименты предлагают по-новому взглянуть на два еще далеко не понятых, но очень интригующих и важных явления в современной физике - сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Оба феномена связаны с понятием фазовых переходов вещества. Любой, кто видел, как плавится лед, уже наблюдал за фазовыми переходами, и вот когда электроны, атомы и другие единицы материи испытывают квантовые фазовые переходы, то они также изменяют свое поведение, проявляя различия, подобные различиям между поведением воды и льда.

В случае фермионов-индивидуалистов о сверхпроводящей и сверхтекучей фазах материи имеет смысл говорить лишь тогда, когда силы, определяемые квантовыми эффектами, становятся доминирующими. Поскольку в обычных условиях поведение частиц в гораздо большей степени определяется "банальной" термодинамикой, то подобные квантовомеханические эффекты не могут проявиться - тепловые взаимодействия столь могучи, что они с легкостью подавляют любые квантовые эффекты - подобно громкой музыке, мешающей расслышать шепот даже близкого собеседника. Сверхпроводимость и сверхтекучесть могут проявить себя только в условиях экстремального холода...

В экспериментах ученых из Университета Райса фигурировала смесь фермионных атомов лития-6 и температуры, лишь на 30 миллиардных градуса отличающиеся от абсолютного нуля (абсолютный нуль - это примерно минус 273 градуса Цельсия). Это намного холодней любого природного объекта - даже находящегося в самом глубоком космосе - и достаточно для того, чтобы подавить все термодинамические взаимодействия между атомами. При этом фермионы с равным по абсолютному значению, но противоположным по знаку спином в поисках наинижайших энергетических уровней, которые они могли бы занять, образуют тандемы, что ведут себя в некоторых отношениях подобно одной единой частице. Если использовать аналогию с парой, объединившейся в общем танце, то можно указать, что формально они не используют одновременно одно и то же пространство, однако движение их можно назвать совместным. В сверхпроводящих материалах эти "пары танцоров" позволяют электрическому току течь без всякого сопротивления, то есть демонстрируют то самое свойство, о котором современным инженерам-электрикам, борющимся с паразитными утечками в силовых кабелях, остается только мечтать (потенциально это помогло бы сэкономить миллиарды долларов в год в одних только Соединенных Штатах). Поэтому в работах по сверхтекучести последнего времени очень часто можно встретить обещания разобраться с ее помощью и с актуальной прикладной проблемой высокотемпературных проводников.

Температура, при которой металлы или сплавы становятся сверхпроводниками, зависит от силы "связывающего" взаимодействия между электронами. Самая высокая температура, при которой наблюдалась сверхпроводимость, составляет минус 135 градусов Цельсия. В низкотемпературных сверхпроводниках ток переносится парами электронов, которые слабо связаны между собой и действуют на расстояниях, в тысячи раз превышающих обычное расстояние между электронами. Напротив, в высокотемпературных сверхпроводниках, как полагают, средняя дистанция между электронами сравнима с той, что имеет место между атомами в полученном фермионном конденсате. Сверхпроводящая и сверхтекучая фазы в общем-то родственны друг другу, просто сверхпроводимостью "заведуют" частицы, несущие электрический заряд, а со сверхтекучестью связаны электрически нейтральные частицы. В сверхтекучих жидкостях спаривание фермионов приводит к полному исчезновению вязкости и проявлению эффекта бездиссипативного (незатухающего) движения - в этом случае однажды образовавшаяся на поверхности рябь привела бы к тому, что это волнение никогда не стихнет.

"Стандартная теория говорит нам о том, что сверхпроводимость или сверхтекучесть возникают только в присутствии равных наборов частиц [фермионов] со спинами, направленными в противоположные стороны, - объясняет ведущий автор статьи - профессор физики и астрономии Рэнди Халет (Randy Hulet). - Физики почти 50 лет размышляли о том, что случилось бы, если бы подобное условие не соблюдалось, а теперь возможность управления нашими ультрахолодными атомами позволяет нам узнать это совершенно достоверно".

Используя радиоволны, группа Халета с очень большой точностью могла варьировать соотношение охлажденных атомарных наборов со spin-up и spin-down. При этом выяснилось, что сверхтекучее состояние без вредных эффектов сохранялось даже при наличии 10 процентов неспаренных фермионов. Однако когда количество неспаренных атомных наборов превышало вышеупомянутые 10 процентов от полной выборки, то неспаренные одиночки внезапно оказывались "за бортом" - оставалось лишь ядро из сверхтекучих пар, окруженное оболочкой из избыточных атомов со spin-up.

"Это довольно неожиданное явление, которое может сигнализировать о существовании новой, экзотической формы сверхтекучести [неуравновешенной], которая, возможно, родственна соединениям электронов в нетрадиционных сверхпроводниках или "супу" из кварков, наличие которого предполагают внутри самых плотных нейтронных звезд", - говорит Халет.

Если "обыкновенные" нейтронные звезды содержат внутри себя плотно упакованные нейтроны, расположенные "впритык" друг к другу (на расстоянии их классических радиусов), то самые массивные нейтронные звезды, именуемые также кварковыми звездами (quark star, массой они приблизительно в пять раз больше, чем масса нашего Солнца), вынужденные дополнительно "уплотняться" (даже при той же массе, что и у "обычной нейтронной звезды", кварковые звезды должны выглядеть намного компактнее), могут "раздавливать" внутри себя даже сами нейтроны. При этом некоторые физики-теоретики полагают, что мощнейшая гравитация этих звезд переводит их вещество в состояние, названное "странной материей" ("strange matter") - плотный сверхтекучий сплав "нижних", "верхних" и "странных" кварков (up quarks, down quarks и strange quarks), не удерживаемых уже в пределах "нуклонной" упаковки по три, а свободно перемещающихся по всей области высокой плотности.

На иллюстрации:
Трехмерное изображение фазы разделяющегося атомного облака. Высокий центральный пик состоит из соединенных фермионных атомов лития-6, он, как полагают, отмечает сверхтекучее состояние. Более умеренные пики с обеих сторон от центрального (также как и небольшое возвышенное окружение вокруг основания) обозначают присутствие неспаренных атомов, которые откололись от единой центральной области. "Эффектное" световое пятно на заднем плане представляет собой луч исследовательского лазера, с помощью какового обычно и зондируют подобное облако. Изображение Университета Райса с сайта www.sciencedaily.com

Источники:
Ultracold test produces long-sought quantum mix. Unbalanced superfluid could be akin to exotic matter found in quark star - News & Media Relations - Rice University
First Experimental Success of a Superfluid - Slashdot

Ссылки:
Эти странные странные звезды... - С. Б. Попов, М. Е. Прохоров
Массы и радиусы кварковых звезд - АНКа Дня
Нейтронные звезды - Обзоры Astro-Ph
Основы квантовой механики - Phys.Web.Ru
Сверхтекучесть

Максим Борисов, 31.12.2005


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей