Een roterend superfluïdum van fermionen doorboord met wervelingen. Afbeelding tegoed: MIT. Klik om te vergroten.
MIT-wetenschappers hebben een supercool einde gemaakt aan een verhitte race onder natuurkundigen: ze zijn de eersten die een nieuw type materie hebben gecreëerd, een gas van atomen dat superfluïditeit op hoge temperatuur vertoont.
Hun werk, dat moet worden gerapporteerd in het nummer van 23 juni van Nature, hangt nauw samen met de supergeleiding van elektronen in metalen. Waarnemingen van supervloeistoffen kunnen helpen bij het oplossen van slepende vragen over supergeleiding bij hoge temperaturen, die wijdverbreide toepassingen hebben voor magneten, sensoren en energie-efficiënt transport van elektriciteit, zei Wolfgang Ketterle, een Nobelprijswinnaar die de MIT-groep leidt en die John D. MacArthur is Hoogleraar natuurkunde.
Het zo duidelijk zien van het superfluïdumgas is zo'n dramatische stap dat Dan Kleppner, directeur van het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, zei: 'Dit is geen rookpistool voor superfluïditeit. Dit is een kanon. '
Onderzoeksgroepen over de hele wereld bestuderen al enkele jaren koude gassen van zogenaamde fermionische atomen met als uiteindelijk doel het vinden van nieuwe vormen van superfluïditeit. Een superfluïdum gas kan zonder weerstand stromen. Het is duidelijk te onderscheiden van een normaal gas wanneer het wordt gedraaid. Een normaal gas roteert als een gewoon object, maar een superfluïdum kan alleen roteren als het wervelingen vormt die lijken op minitornado's. Dit geeft een roterende supervloeistof het uiterlijk van Zwitserse kaas, waarbij de gaten de kernen zijn van de mini-tornado's. "Toen we de eerste foto van de wervels op het computerscherm zagen verschijnen, was het gewoon adembenemend", zei afgestudeerde student Martin Zwierlein op de avond van 13 april, toen het team voor het eerst het supervloeiende gas zag. Bijna een jaar lang werkte het team aan het rond maken van magnetische velden en laserstralen, zodat het gas in rotatie kon worden gebracht. 'Het was alsof je de hobbels van een wiel schuurt om het perfect rond te maken', legt Zwierlein uit.
“In superfluids en supergeleiders bewegen deeltjes in lockstep. Ze vormen één grote kwantummechanische golf ”, legt Ketterle uit. Door een dergelijke beweging kunnen supergeleiders zonder weerstand elektrische stromen voeren.
Het MIT-team kon deze superfluïdische wervelingen bekijken bij extreem koude temperaturen, toen het fermionische gas werd gekoeld tot ongeveer 50 miljardste graad Kelvin, zeer dicht bij het absolute nulpunt (-273 ° C of -459 ° F). "Het klinkt misschien vreemd om superfluïditeit te noemen bij 50 nanokelvin superfluïditeit bij hoge temperatuur, maar waar het om gaat is de temperatuur genormaliseerd door de dichtheid van de deeltjes," zei Ketterle. "We hebben nu veruit de hoogste temperatuur ooit bereikt." Opgeschaald naar de dichtheid van elektronen in een metaal, zou de temperatuur van de superfluïdumovergang in atomaire gassen hoger zijn dan kamertemperatuur.
Ketterle's teamleden waren MIT-afgestudeerde studenten Zwierlein, Andre Schirotzek en Christian Schunck, die allemaal lid zijn van het Center for Ultracold Atoms, evenals voormalig afgestudeerde student Jamil Abo-Shaeer.
Het team observeerde fermionische superfluïditeit in de lithium-6-isotoop bestaande uit drie protonen, drie neutronen en drie elektronen. Omdat het totale aantal bestanddelen oneven is, is lithium-6 een fermion. Met behulp van laser- en verdampingskoelingstechnieken koelden ze het gas tot bijna nul. Vervolgens vingen ze het gas op in het brandpunt van een infrarode laserstraal; de elektrische en magnetische velden van het infraroodlicht hielden de atomen op hun plaats. De laatste stap was om een groene laserstraal rond het gas te draaien om het in rotatie te brengen. Een schaduwbeeld van de wolk toonde zijn superfluïdumgedrag: de wolk werd doorboord door een regelmatige reeks wervelingen, elk ongeveer even groot.
Het werk is gebaseerd op de eerdere creatie van Bose-Einstein-condensaten door de MIT-groep, een vorm van materie waarin deeltjes condenseren en als één grote golf fungeren. Albert Einstein voorspelde dit fenomeen in 1925. Wetenschappers realiseerden zich later dat Bose-Einstein-condensatie en superfluïditeit nauw met elkaar verband houden.
Bose-Einstein-condensatie van fermionparen die losjes aan elkaar waren gebonden als moleculen, werd in november 2003 waargenomen door onafhankelijke teams van de Universiteit van Colorado in Boulder, de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk en bij MIT. Het observeren van Bose-Einstein-condensatie is echter niet hetzelfde als het observeren van superfluïditeit. Verdere studies werden uitgevoerd door deze groepen en aan de Ecole Normale Superieure in Parijs, Duke University en Rice University, maar het bewijs voor superfluïditeit was dubbelzinnig of indirect.
Het superfluïde Fermi-gas dat bij MIT wordt gemaakt, kan ook dienen als een gemakkelijk bestuurbaar modelsysteem om eigenschappen van veel dichtere vormen van fermionische materie te bestuderen, zoals vaste supergeleiders, neutronensterren of het quark-gluon-plasma dat bestond in het vroege universum.
Het MIT-onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, het Office of Naval Research, NASA en het Army Research Office.
Oorspronkelijke bron: MIT News Release
