Một luồng khí siêu lỏng xoay tròn của các fermion xuyên qua các xoáy. Tín dụng hình ảnh: MIT. Nhấn vào đây để phóng to.
Các nhà khoa học MIT đã mang đến một kết thúc siêu lạnh cho một chủng tộc nóng bỏng giữa các nhà vật lý: Họ đã trở thành người đầu tiên tạo ra một loại vật chất mới, một loại khí nguyên tử cho thấy sự siêu lỏng ở nhiệt độ cao.
Công trình của họ, được báo cáo trong số ra ngày 23 tháng 6 của Tự nhiên, có liên quan mật thiết đến tính siêu dẫn của electron trong kim loại. Quan sát các siêu chất có thể giúp giải quyết các câu hỏi còn sót lại về tính siêu dẫn nhiệt độ cao, có ứng dụng rộng rãi cho nam châm, cảm biến và vận chuyển điện hiệu quả năng lượng, Wolfgang Ketterle, người đoạt giải Nobel, người đứng đầu nhóm MIT và John D. MacArthur, người đứng đầu nhóm MIT. Giáo sư Vật lý.
Nhìn thấy khí siêu lỏng rõ ràng là một bước tiến mạnh mẽ đến nỗi Dan Kleppner, giám đốc Trung tâm Nguyên tử Ultracold của MIT-Harvard, cho biết, Đây Đây không phải là một khẩu súng hút thuốc vì siêu lỏng. Đây là một khẩu pháo.
Trong nhiều năm, các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã nghiên cứu các loại khí lạnh của cái gọi là các nguyên tử fermionic với mục tiêu cuối cùng là tìm ra các dạng siêu lỏng mới. Một khí siêu lỏng có thể chảy mà không có sức đề kháng. Nó có thể được phân biệt rõ ràng với một loại khí bình thường khi nó được quay. Một loại khí bình thường quay như một vật thể bình thường, nhưng một siêu lỏng chỉ có thể quay khi nó tạo thành các xoáy tương tự như các cơn lốc xoáy nhỏ. Điều này mang đến cho siêu nhân quay sự xuất hiện của phô mai Thụy Sĩ, trong đó các lỗ là lõi của những cơn lốc xoáy nhỏ. Khi chúng tôi nhìn thấy hình ảnh đầu tiên của các cơn lốc xuất hiện trên màn hình máy tính, nó thật đơn giản, ngoạn mục, Martin Zwierlein, sinh viên tốt nghiệp cho biết khi nhớ lại buổi tối ngày 13 tháng 4, khi nhóm nghiên cứu lần đầu tiên nhìn thấy khí siêu lỏng. Trong gần một năm, nhóm nghiên cứu đã chế tạo từ trường và chùm tia laser rất tròn để khí có thể được đặt theo vòng quay. Càng giống như chà nhám những chiếc bánh xe để làm cho nó tròn hoàn hảo, thì Z Zierierin giải thích.
Phần tử trong các siêu chất, cũng như trong chất siêu dẫn, các hạt di chuyển theo từng bước. Chúng tạo thành một làn sóng cơ học lượng tử lớn, Ketterle giải thích. Chuyển động như vậy cho phép các chất siêu dẫn mang dòng điện mà không có điện trở.
Nhóm MIT đã có thể xem các xoáy siêu lỏng này ở nhiệt độ cực lạnh, khi khí fermionic được làm lạnh đến khoảng 50 phần tỷ độ Kelvin, rất gần với độ không tuyệt đối (-273 độ C hoặc -459 độ F). Có vẻ lạ khi gọi siêu lỏng ở mức siêu lỏng nhiệt độ cao 50 nanokelvin, nhưng điều quan trọng là nhiệt độ được bình thường hóa bởi mật độ của các hạt, theo ông Ketterle nói. Hiện tại chúng tôi đã đạt được nhiệt độ cao nhất từ trước đến nay. Được điều chỉnh theo mật độ của các electron trong kim loại, nhiệt độ chuyển tiếp siêu lỏng trong khí nguyên tử sẽ cao hơn nhiệt độ phòng.
Các thành viên của nhóm Ketterle, là các sinh viên tốt nghiệp MIT Zwierlein, Andre Schirotzek và Christian Schunck, tất cả đều là thành viên của Trung tâm Nguyên tử Ultracold, cũng như cựu sinh viên tốt nghiệp Jamil Abo-Shaeer.
Nhóm nghiên cứu đã quan sát tính siêu lỏng fermionic trong đồng vị lithium-6 bao gồm ba proton, ba neutron và ba electron. Vì tổng số thành phần là số lẻ, lithium-6 là một fermion. Sử dụng laser và các kỹ thuật làm mát bay hơi, họ đã làm mát khí gần bằng không. Sau đó, họ nhốt khí trong tiêu điểm của tia laser hồng ngoại; điện trường và từ trường của ánh sáng hồng ngoại giữ nguyên tử tại chỗ. Bước cuối cùng là quay một chùm tia laser màu xanh lá cây xung quanh khí để đặt nó vào vòng quay. Một hình ảnh bóng của đám mây cho thấy hành vi siêu lỏng của nó: Đám mây bị xuyên thủng bởi một loạt các xoáy thông thường, mỗi xoáy có cùng kích thước.
Công trình này dựa trên nhóm MIT tạo ra các ngưng tụ Bose-Einstein trước đó, một dạng vật chất trong đó các hạt ngưng tụ và hoạt động như một sóng lớn. Albert Einstein đã tiên đoán hiện tượng này vào năm 1925. Các nhà khoa học sau đó nhận ra rằng sự ngưng tụ và siêu lỏng của Bose-Einstein có liên quan mật thiết với nhau.
Sự ngưng tụ Bose-Einstein của các cặp fermion liên kết với nhau một cách lỏng lẻo như các phân tử đã được quan sát vào tháng 11 năm 2003 bởi các nhóm độc lập tại Đại học Colorado tại Boulder, Đại học Innsbruck ở Áo và MIT. Tuy nhiên, quan sát sự ngưng tụ Bose-Einstein không giống như quan sát sự siêu lỏng. Các nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện bởi các nhóm này và tại Ecole Normale Superieure ở Paris, Đại học Duke và Đại học Rice, nhưng bằng chứng về sự siêu lỏng là mơ hồ hoặc gián tiếp.
Khí Fermi siêu lỏng được tạo ra tại MIT cũng có thể đóng vai trò là một hệ thống mô hình có thể kiểm soát dễ dàng để nghiên cứu các thuộc tính của các dạng vật chất fermionic dày đặc hơn như chất siêu dẫn rắn, sao neutron hoặc plasma quark-gluon tồn tại trong vũ trụ sơ khai.
Nghiên cứu của MIT được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia, Văn phòng nghiên cứu hải quân, NASA và Văn phòng nghiên cứu quân đội.
Nguồn gốc: MIT News Release
