Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Создан фермионный конденсат
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.
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).
Обсудить
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.
Статьи по теме
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Новый кварктет: субатомные причуды в семействе пентачастиц
Удалось обнаружить никогда прежде не виданную элементарную частицу, составленную из пяти кварков и антикварков. Случаи рождения приблизительно 40 частиц нового типа были выявлены при анализе миллионов протон-протонных столкновений на сверхмощном протонном синхротроне в CERN. Это свидетельство в пользу существования ранее теоретически предсказанного целого семейства таких частиц.
Обнаружены первые "молекулы" среди мезонов
X(3872) не сообразуется ни с одной из известных схем, описывающих структуру субатомных частиц, и теоретики теперь стоят перед непростой дилеммой: либо вносить существенные поправки в привычную и хорошо себя зарекомендовавшую Стандартную модель элементарных частиц, либо признать, что мы имеем дело с неведомым типом мезона, который содержит четыре кварка - тетракварком.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Зубы Супермена могут служить сверхпроводником
Британские исследователи выяснили, что фосфор, элемент, как известно, содержащийся в человеческих зубах, может в принципе выступать в роли сверхпроводника. Правда человеку потребовалась бы мощь какого-нибудь Супермена, чтобы сжать свои зубы с силой, достаточной для достижения необходимого эффекта, поскольку переход в сверхпроводящее состояние произойдет лишь при давлении около 2,5 мегабар.
Новая теория шаровых молний
Джон Джилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Уфимским ученым за электропроводящие полимеры сулят "нобелевку"
Сенсационное открытие сделали башкирские ученые. Оно совершит переворот в мире физики. Сотрудники уфимского Института физики молекул и кристаллов заставили бежать электрический ток по полимерам. До сих пор ни одному научному институту мира такого не удавалось. По всей видимости, еще большее значение подобное открытие будет иметь для грядущей эры нанотехнологий.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Лазеры преодолевают силу Лоренца
Канадские физики предложили новый способ применения лазеров для изучения ультрабыстрых процессов в ядрах. Становится возможным проведение исследований ядерных процессов в аттосекундной шкале времени.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Новости по теме
