غاز فائق السوائل دوار من الفرميونات مثقوب بالدوامات. رصيد الصورة: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. اضغط للتكبير.
وضع علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهاية فائقة البرودة لسباق محتدم بين علماء الفيزياء: لقد أصبحوا أول من ابتكر نوعًا جديدًا من المادة ، وهو غاز من الذرات يُظهر سيولة فائضة عالية الحرارة.
يرتبط عملهم ، الذي سيتم نشره في عدد 23 يونيو من مجلة Nature ، ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة للإلكترونات في المعادن. قال وولفجانج كيترل ، الحائز على جائزة نوبل والذي يرأس مجموعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومن هو جون دي ماك آرثر ، إن ملاحظات الموائع الفائقة قد تساعد في حل الأسئلة العالقة حول الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية ، والتي لها تطبيقات واسعة النطاق للمغناطيس وأجهزة الاستشعار ونقل الكهرباء الموفر للطاقة. أستاذ الفيزياء.
إن رؤية غاز المائع الفائق بوضوح هو خطوة دراماتيكية لدرجة أن دان كليبنر ، مدير مركز MIT-Harvard للذرات فائقة البرودة ، قال: 'هذا ليس سلاحًا قويًا للسائل الفائض. هذا مدفع '.
لعدة سنوات ، كانت مجموعات البحث حول العالم تدرس الغازات الباردة لما يسمى بذرات الفرميون بهدف نهائي هو إيجاد أشكال جديدة من السيولة الفائقة. يمكن أن يتدفق غاز المائع الفائق بدون مقاومة. يمكن تمييزه بوضوح عن الغاز الطبيعي عند تدويره. يدور الغاز الطبيعي كجسم عادي ، لكن السائل الفائق يمكن أن يدور فقط عندما يشكل دوامات شبيهة بالأعاصير الصغيرة. يعطي هذا سائلًا فائقًا دوارًا مظهر الجبن السويسري ، حيث تكون الثقوب هي نوى الأعاصير الصغيرة. قال طالب الدراسات العليا Martin Zwierlein في استرجاع مساء 13 أبريل ، عندما رأى الفريق لأول مرة غاز المائع الفائق: 'عندما رأينا الصورة الأولى للدوامات تظهر على شاشة الكمبيوتر ، كانت ببساطة مبهرة'. لمدة عام تقريبًا ، كان الفريق يعمل على جعل الحقول المغناطيسية وأشعة الليزر مستديرة للغاية بحيث يمكن ضبط الغاز في الدوران. أوضح زويرلين: 'كان الأمر أشبه بصقل نتوءات عجلة لجعلها مستديرة تمامًا'.
'في السوائل الفائقة ، وكذلك في الموصلات الفائقة ، تتحرك الجسيمات بخطى ثابتة. وأوضح كيترل أنه يشكل موجة واحدة كبيرة من ميكانيكا الكم. تسمح هذه الحركة للموصلات الفائقة بحمل التيارات الكهربائية دون مقاومة.
تمكن فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من رؤية دوامات السوائل الفائقة في درجات حرارة شديدة البرودة ، عندما تم تبريد غاز الفرميونات إلى حوالي 50 جزءًا من المليار درجة كلفن ، بالقرب جدًا من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية أو -459 درجة فهرنهايت). قال كيترل: 'قد يبدو غريبًا أن نطلق على السيولة الفائقة عند درجة حرارة عالية تبلغ 50 نانوكلفنًا ، ولكن ما يهم هو درجة الحرارة التي تم ضبطها بواسطة كثافة الجسيمات'. 'لقد حققنا الآن أعلى درجة حرارة على الإطلاق.' مع زيادة كثافة الإلكترونات في المعدن ، ستكون درجة حرارة انتقال السوائل الفائقة في الغازات الذرية 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 Ultracold Atoms ، بالإضافة إلى طالب الدراسات العليا السابق جميل أبو شعير.
لاحظ الفريق السيولة الفائقة للفرميونات في نظير الليثيوم 6 الذي يشتمل على ثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات وثلاثة إلكترونات. نظرًا لأن العدد الإجمالي للمكونات فردي ، فإن الليثيوم 6 هو فرميون. باستخدام تقنيات التبريد بالليزر والتبخير ، قاموا بتبريد الغاز بالقرب من الصفر المطلق. ثم قاموا بحبس الغاز في بؤرة شعاع ليزر الأشعة تحت الحمراء ؛ تعمل المجالات الكهربائية والمغناطيسية لضوء الأشعة تحت الحمراء على تثبيت الذرات في مكانها. كانت الخطوة الأخيرة هي تدوير شعاع ليزر أخضر حول الغاز لضبطه في الدوران. أظهرت صورة الظل للسحابة سلوك السائل الفائق: اخترقت السحابة مجموعة منتظمة من الدوامات ، كل منها بنفس الحجم تقريبًا.
يعتمد العمل على إنشاء مجموعة MIT المبكر لكثافات بوز-آينشتاين ، وهي شكل من أشكال المادة تتكثف فيها الجسيمات وتعمل كموجة واحدة كبيرة. تنبأ ألبرت أينشتاين بهذه الظاهرة في عام 1925. أدرك العلماء لاحقًا أن تكاثف بوز-آينشتاين والميوعة الفائضة مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.
تكاثف بوز-آينشتاين لأزواج من الفرميونات التي كانت مرتبطة ببعضها البعض بشكل غير محكم مثل الجزيئات لوحظت في نوفمبر 2003 من قبل فرق مستقلة في جامعة كولورادو في بولدر ، وجامعة إنسبروك في النمسا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ومع ذلك ، فإن مراقبة تكاثف بوز-آينشتاين يختلف عن مراقبة السيولة الفائقة. تم إجراء المزيد من الدراسات من قبل هذه المجموعات وفي Ecole Normale Superieure في باريس وجامعة ديوك وجامعة رايس ، لكن الدليل على السيولة الفائقة كان غامضًا أو غير مباشر.
يمكن أيضًا أن يعمل غاز فيرمي فائق السوائل الذي تم إنشاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كنظام نموذج يمكن التحكم فيه بسهولة لدراسة خصائص الأشكال الأكثر كثافة من المواد الفرميونية مثل الموصلات الفائقة الصلبة أو النجوم النيوترونية أو بلازما كوارك-غلوون التي كانت موجودة في الكون المبكر.
تم دعم بحث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ومكتب البحوث البحرية ووكالة ناسا ومكتب أبحاث الجيش.
المصدر الأصلي: بيان صحفي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا