غازات سائلة دوارة من الفرميونات المثقوبة بالدوامات. حقوق الصورة: MIT. اضغط للتكبير.
وضع علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهاية مبردة لسباق ساخن بين علماء الفيزياء: لقد أصبحوا أول من ابتكر نوعًا جديدًا من المادة ، وهو غاز من الذرات التي تظهر فائضًا في درجات الحرارة العالية.
يرتبط عملهم ، الذي سيتم الإبلاغ عنه في عدد 23 يونيو من الطبيعة ، ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة للإلكترونات في المعادن. وقال فولفجانج كيتريل الحائز على جائزة نوبل والذي يرأس مجموعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والذي هو جون د. أستاذ الفيزياء.
إن رؤية غاز السوائل الزائدة بشكل واضح هو خطوة مثيرة لدرجة أن دان كليبنر ، مدير مركز MIT-Harvard لذرات Ultracold ، قال: "هذه ليست بندقية تدخين للسيولة الزائدة. هذا مدفع ".
لعدة سنوات ، كانت المجموعات البحثية في جميع أنحاء العالم تدرس الغازات الباردة لما يسمى الذرات الفيرميونية بهدف نهائي هو إيجاد أشكال جديدة من السيولة الفائقة. يمكن أن يتدفق غاز فائض بدون مقاومة. يمكن تمييزه بوضوح عن الغاز الطبيعي عند تدويره. يدور الغاز الطبيعي مثل جسم عادي ، ولكن لا يمكن أن يدور السائل الزائد إلا عندما يشكل دوامات مشابهة للأعاصير الصغيرة. وهذا يعطي سائلًا دائريًا لمظهر الجبن السويسري ، حيث تكون الثقوب هي نوى الأعاصير الصغيرة. قال طالب الدراسات العليا مارتن زويرلين في تذكر مساء 13 أبريل ، عندما شاهد الفريق لأول مرة غاز فائق السوائل: "عندما رأينا الصورة الأولى للدوامات تظهر على شاشة الكمبيوتر ، كانت ببساطة لالتقاط الأنفاس". لمدة عام تقريبًا ، كان الفريق يعمل على جعل المجالات المغناطيسية وعوارض الليزر مستديرة جدًا بحيث يمكن ضبط الغاز في الدوران. وأوضح زويرلين: "كان الأمر مثل صنفرة العجلة من عجلة لجعلها مستديرة تمامًا".
"في الموائع الفائقة ، وكذلك في الموصلات الفائقة ، تتحرك الجسيمات في طريق مسدود. "إنها تشكل موجة ميكانيكا كمية كبيرة" ، أوضح كيتريل. تسمح مثل هذه الحركة للموصلات الفائقة بحمل التيارات الكهربائية دون مقاومة.
تمكن فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من عرض هذه الدوامات فائقة السوائل في درجات حرارة شديدة البرودة ، عندما تم تبريد الغاز الفيرميوني إلى حوالي 50 مليار جزء من درجة كلفن ، وهو قريب جدًا من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية أو -459 درجة فهرنهايت). وقال كيترل: "قد يبدو من الغريب أن نطلق على فائض في 50 نانوكلفن فائض في درجة الحرارة العالية ، ولكن ما يهم هو درجة الحرارة المقيسة بكثافة الجسيمات". "لقد حققنا حتى الآن أعلى درجة حرارة على الإطلاق." إذا تم قياسها حتى كثافة الإلكترونات في المعدن ، فإن درجة حرارة انتقال المائع الفائق في الغازات الذرية ستكون أعلى من درجة حرارة الغرفة.
كان أعضاء فريق Ketterle من طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Zwierlein و Andre Schirotzek و Christian Schunck ، وجميعهم أعضاء في مركز الذرات Ultracold ، وكذلك طالب الدراسات السابقة جميل أبو شعير.
لاحظ الفريق وجود فائض فيرميوني في نظير الليثيوم -6 يشتمل على ثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات وثلاثة إلكترونات. بما أن العدد الإجمالي للمكونات غريب ، فإن الليثيوم -6 هو فرميون. باستخدام تقنيات التبريد بالليزر والتبخر ، قاموا بتبريد الغاز بالقرب من الصفر المطلق. ثم حاصروا الغاز في بؤرة شعاع ليزر تحت الحمراء ؛ الحقول الكهربائية والمغناطيسية للضوء بالأشعة تحت الحمراء تثبت الذرات في مكانها. كانت الخطوة الأخيرة هي تدوير شعاع ليزر أخضر حول الغاز لوضعه في الدوران. أظهرت صورة الظل للسحابة سلوكها غير الضروري: اخترقت السحابة مجموعة منتظمة من الدوامات ، كل منها بنفس الحجم تقريبًا.
يعتمد العمل على إنشاء مجموعة MIT في وقت سابق لمكثفات Bose-Einstein ، وهو شكل من أشكال المادة تتكثف فيه الجسيمات وتعمل كموجة كبيرة واحدة. تنبأ ألبرت أينشتاين بهذه الظاهرة في عام 1925. أدرك العلماء لاحقًا أن تكثيف بوز-آينشتاين وسيلته الفائقة مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.
تكثف بوز-آينشتاين لأزواج من الفرميونات التي تم ربطها مع بعضها بشكل فضفاض كما لوحظت الجزيئات في نوفمبر 2003 من قبل فرق مستقلة في جامعة كولورادو في بولدر ، وجامعة إنسبروك في النمسا وفي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ومع ذلك ، فإن مراقبة تكثف Bose-Einstein ليست هي نفسها مثل مراقبة السوائل الزائدة. تم إجراء المزيد من الدراسات من قبل هذه المجموعات وفي مدرسة Ecole Normale Superieure في باريس وجامعة ديوك وجامعة رايس ، لكن الأدلة على وجود فائض فائض كانت غامضة أو غير مباشرة.
يمكن أيضًا أن يعمل غاز Fermi فائق السرعة الذي تم إنشاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كنظام نموذج يمكن التحكم فيه بسهولة لدراسة خصائص الأشكال الأكثر كثافة من المادة الفيرميونية مثل الموصلات الفائقة الصلبة أو النجوم النيوترونية أو بلازما الكوارك-جلون الموجودة في الكون المبكر.
تم دعم بحث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، ومكتب البحوث البحرية ، وناسا ومكتب أبحاث الجيش.
المصدر الأصلي: MIT News Release
