.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.58681.html

статья Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 31.01.2004
Реклама
.
цитата 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.

News Releases from NIST

Создан фермионный конденсат

Группа исследователей, совершивших открытие. Слева направо: Дебора Джин, Маркус Грейнер (Markus Greiner), Синди Регал (Cindy Regal). Фото с сайта www.nist.gov Ученые из JILA - 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) - сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата" (fermionic condensate), созданного из пар атомов в охлажденном газе. Фермионный конденсат - это новая форма агрегатного состояния вещества, получение которой было в последние годы заветной целью всех физиков, работающих с ультрахолодными температурами. (Впрочем, новые формы материи в последнее время множатся как грибы. К таковым относят и кварк-глюонную плазму, и материю нейтронных звезд, и бозе-конденсат, и недавно полученное "супертвердое тело") Специалисты надеются, что дальнейшее изучение таких конденсатов в конечном счете поможет раскрыть тайны высокотемпературной сверхпроводимости - того самого явления, от которого ждут кардинальных изменений в энергетике и высокоскоростном транспорте (поезда на магнитной подушке). Результаты исследования публикуются в журнале Physical Review Letters.

Новая работа развивает предыдущее важнейшее достижение - создание конденсата Бозе-Эйнштейна (1995), за который ученые из той же JILA 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, то есть все атомы ведут себя подобно одному огромному суператому. Бозе-конденсаты состоят из бозонов, класса "чрезвычайно общительных" (если не сказать "стадных") частиц, которые всегда предпочитают "имитировать" поведение своего соседа, а не идти своим путем.

В отличие от бозонов фермионы (а к ним относятся, например, хорошо нам известные и привычные протоны, нейтроны и электроны) являются "упертыми индивидуалистами". По своей сути ни один фермион не может находиться в точно таком же состоянии, в котором уже находится какой-либо другой фермион. Например, идентичные фермионы не могут иметь одни и те же координаты или один и тот же импульс (а вот фотоны, которые являются бозонами, могут - вот почему лазеры (когерентный свет) вообще работают). Следовательно, для физика даже сам термин "фермионный конденсат" является своего рода оксюмороном.

Уже в течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теоретики из JILA Мюррей Холланд (Murray Holland) и его сотрудники в 2001 году выдвинули гипотезу, что сверхпроводимость и конденсат Бозе-Эйнштейна - это два крайних случая сверхтекучего поведения, необычного состояния вещества, при котором молекулы не оказывают никакого сопротивления течению жидкости. Например, сверхтекучий гелий, наливаемый в центр открытого контейнера, будет спонтанно течь вверх прямо по стенкам этого контейнера. Холланд предположила, что можно использовать магнитные поля для "настройки" атомарного газа и создания своеобразного "резонансного конденсата".

В ноябре 2003 года группа из JILA под руководством Деборы Джин (Deborah S. Jin) параллельно с еще одной группой исследователей из Австрии (Рудольф Гримм из Университета Инсбрука) объявила о создании бозе-конденсата из молекул. В тех экспериментах изменяемое со временем магнитное поле было приложено к фермионным атомам, что вынуждало их объединиться в бозонные молекулы. Фермионы имеют полуцелый (в единицах постоянной Планка, разделенной на 2π) спин (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), в то время как у бозонов спин целочисленный (1, 2, 3 и т.д.). Спины двух частиц складываются, поэтому молекула, содержащая два фермионных атома, превращается в бозон. Однако теперь выясняется, что даже если два фермиона и не связаны в одну молекулу, а просто движутся вместе неким коррелированным образом, то эта пара уже может вести себя подобно бозону и подвергаться конденсации. В то же время это наиболее "эфемерная" форма конденсации из всех, которые наблюдались к настоящему времени.

В описываемом эксперименте по формированию фермионного конденсата, который проводился 16 декабря 2003 года, газ примерно из 500 тысяч атомов калия-40 был охлажден до температуры в 50 миллиардных градуса Цельсия выше абсолютного нуля (абсолютный нуль - это примерно минус 273 градусов Цельсия), а затем к нему было приложено специальное "резонансное" магнитное поле. Это магнитное поле заставило фермионные атомы объединиться в пары, родственные парам электронов (так называемые куперовские пары или пары Купера*), за счет которых действует сверхпроводимость - явление, при котором электричество течет без всякого сопротивления.

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°C. 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.

Формирование конденсата из пар фермионных атомов калия-40. Более высокие области указывают на большую плотность атомов. Движение слева направо соответствует увеличению силы притяжения между атомами, которые формируют фермионные пары, при варьировании силы  магнитного поля. Изображение с сайта www.nist.gov Как это ни парадоксально, но чтобы убедиться, что в результате эксперимента был получен конденсат из соединенных именно таким образом фермионов, а не "банальных" молекул, исследователи были вынуждены все-таки конвертировать эти пары в молекулы. Магнитное поле (имеющее уже характер "правильного" - для образования уже изученного типа молекулярных соединений) было одномоментно приложено к фермионному конденсату и одновременно открывалась оптическая "ловушка", удерживающая газ. Подобное изменение магнитного поля способно создать молекулы, но оно действовало слишком быстро, чтобы создать молекулярный бозе-конденсат. Тем не менее, картина движения молекул имела характерную форму конденсированного облака (см. иллюстрацию). Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. Для получения такой картины "конденсат, который фигурирует в этом "снимке" газа, должен был существовать прежде, чем сформировались молекулы", - объясняет Джин.

Говоря попросту, фермионы в данном случае ведут себя подобно танцорам в каком-нибудь клубе. Когда играют быструю музыку, танцующие разделяются на пары и движутся вместе, координируя свои движения. Если же внезапно музыка сменяется на медленную, танцоры в каждой уже заранее "определившейся" паре придвигаются друг к другу поближе и берутся за руки и за талии, образуя "молекулярную связь". Если сделать моментальную фотографию, то снимок покажет связанных друг с другом танцующих (молекулы), однако безмолвная договоренность этих пар уже была определена заранее, когда пары еще формально не соединились.

На нижней иллюстрации:
Формирование конденсата из пар фермионных атомов калия-40. Более высокие области указывают на большую плотность атомов. Движение слева направо соответствует увеличению силы притяжения между атомами, которые формируют фермионные пары, при варьировании силы магнитного поля. Изображение с сайта www.nist.gov

Источники:
NIST/University of Colorado Scientists Create New Form of Matter: A Fermionic Condensate - News Releases from NIST
Fermionic condensate makes its debut - PhysicsWeb
New form of matter created in lab - New Scientist
Fermions chill out - Nature
Researchers Unveil New Form of Matter - Scientific American

Ссылки:
Новое состояние вещества: революция сверхпроводимости - CNews.ru
Сверхмедленный свет в ультрахолодном веществе - "Природа"
Конденсат Бозе-Эйнштейна получен. Зачем он нужен?

________________________________________________________

* - 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).

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 31.01.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей