ก๊าซ superfluid ที่หมุนได้ของเฟอร์มิออนถูกแทงด้วยน้ำวน เครดิตรูปภาพ: MIT คลิกเพื่อดูภาพขยาย
นักวิทยาศาสตร์ของ MIT ได้นำซุปเปอร์คูลไปสู่การแข่งขันที่ร้อนแรงในหมู่นักฟิสิกส์: พวกเขากลายเป็นคนแรกที่สร้างสสารชนิดใหม่ซึ่งเป็นแก๊สของอะตอมที่แสดงให้เห็นถึงความร้อนจัดที่มีอุณหภูมิสูง
งานของพวกเขาที่จะรายงานในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 23 มิถุนายนมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับตัวนำยิ่งยวดของอิเล็กตรอนในโลหะ การสังเกตการณ์ของซุปเปอร์ฟลูอิดอาจช่วยแก้ปัญหาเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงซึ่งมีการใช้งานอย่างกว้างขวางสำหรับแม่เหล็กเซ็นเซอร์และการขนส่งไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพด้านพลังงาน Wolfgang Ketterle ผู้ได้รับรางวัลโนเบลหัวหน้ากลุ่ม MIT และผู้เป็น John D. MacArthur ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์
การเห็นก๊าซ superfluid อย่างเห็นได้ชัดนั้นเป็นขั้นตอนที่น่าทึ่งที่แดนคลีปเนอร์ผู้อำนวยการศูนย์ MIT - ฮาร์วาร์ดสำหรับ Ultracold Atoms กล่าวว่า“ นี่ไม่ใช่ปืนสูบบุหรี่สำหรับซูเปอร์ฟลูอิด นี่คือปืนใหญ่”
หลายปีที่ผ่านมากลุ่มนักวิจัยทั่วโลกกำลังศึกษาก๊าซเย็นที่เรียกว่าอะตอมเฟอร์มิออนิกโดยมีเป้าหมายสูงสุดในการค้นหารูปแบบใหม่ของความฟุ่มเฟือย ก๊าซ superfluid สามารถไหลได้โดยไม่มีการต้านทาน มันสามารถแยกได้อย่างชัดเจนจากก๊าซปกติเมื่อหมุน ก๊าซปกติจะหมุนเหมือนวัตถุธรรมดา แต่ superfluid สามารถหมุนได้เมื่อมันก่อตัวเป็น vortices คล้ายกับพายุทอร์นาโดขนาดเล็ก สิ่งนี้จะช่วยให้การปรากฏตัวของ superfluid ที่หมุนได้ของชีสสวิสที่หลุมเป็นแกนกลางของพายุทอร์นาโดขนาดเล็ก “ เมื่อเราเห็นรูปแรกของกระแสน้ำวนปรากฏบนหน้าจอคอมพิวเตอร์มันน่าทึ่งมาก” มาร์ตินซวิเอร์ลีนนักศึกษาปริญญาโทกล่าวในการระลึกถึงตอนเย็นของวันที่ 13 เมษายนเมื่อทีมเห็นก๊าซซุปเปอร์ฟลูอิดเป็นครั้งแรก เป็นเวลาเกือบหนึ่งปีที่ทีมทำงานเกี่ยวกับการสร้างสนามแม่เหล็กและลำแสงเลเซอร์รอบ ๆ เพื่อให้ก๊าซสามารถหมุนได้ “ มันเหมือนการขัดกระแทกออกจากล้อเพื่อให้มันกลมอย่างสมบูรณ์” Zwierlein อธิบาย
“ ในซูเปอร์ฟลูอิดเช่นเดียวกับตัวนำยิ่งยวดอนุภาคเคลื่อนที่เข้าสู่ล็อค พวกมันก่อตัวเป็นคลื่นควอนตัมเชิงกลขนาดใหญ่หนึ่งตัว” Ketterle อธิบาย การเคลื่อนไหวดังกล่าวทำให้ตัวนำยิ่งยวดสามารถพกกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องมีความต้านทาน
ทีม MIT สามารถดู vortices superfluid เหล่านี้ได้ที่อุณหภูมิที่เย็นจัดเมื่อก๊าซ fermionic เย็นลงถึงประมาณ 50 พันล้านของระดับเคลวินใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (-273 องศาเซลเซียสหรือ -459 องศา F) “ มันอาจฟังดูแปลกที่จะเรียก superfluidity ที่ 50 nanokelvin superfluidity ที่อุณหภูมิสูง แต่สิ่งที่สำคัญคืออุณหภูมิปกติด้วยความหนาแน่นของอนุภาค” Ketterle กล่าว “ ตอนนี้เราประสบความสำเร็จในอุณหภูมิที่สูงที่สุดเท่าที่เคยมีมา” เมื่อเพิ่มขึ้นตามความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในโลหะอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ superfluid ในก๊าซอะตอมมิกจะสูงกว่าอุณหภูมิห้อง
สมาชิกในทีมของ Ketterle คือนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ MIT Zwierlein, Andre Schirotzek และ Christian Schunck ซึ่งทุกคนเป็นสมาชิกของศูนย์ Ultracold Atoms รวมถึงอดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Jamil Abo-Shaeer
ทีมวิจัยได้ทำการสำรวจ fflionic superfluidity ในไอโซโทปลิเธียม -6 ซึ่งประกอบด้วยสามโปรตอนสามนิวตรอนและสามอิเล็กตรอน เนื่องจากจำนวนองค์ประกอบทั้งหมดเป็นเลขคี่ลิเทียม -6 จึงเป็น fermion ด้วยการใช้เลเซอร์และเทคนิคการทำความเย็นแบบระเหยพวกเขาทำให้ก๊าซเย็นลงใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ จากนั้นพวกเขาติดแก๊สในโฟกัสของลำแสงเลเซอร์อินฟราเรด สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กของแสงอินฟราเรดจับอะตอมไว้ ขั้นตอนสุดท้ายคือการหมุนลำแสงเลเซอร์สีเขียวรอบ ๆ แก๊สเพื่อหมุนมัน ภาพเงาของคลาวด์แสดงพฤติกรรม superfluid: เมฆถูกเจาะโดยกระแสน้ำวนตามปกติซึ่งมีขนาดเท่ากัน
งานนี้สร้างขึ้นจากการสร้าง Bose-Einstein คอนเดนเสทของกลุ่ม MIT ซึ่งเป็นรูปแบบของอนุภาคที่ควบแน่นและทำหน้าที่เป็นคลื่นลูกใหญ่ อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ทำนายปรากฏการณ์นี้ในปี 2468 หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ตระหนักว่าการควบแน่นและความเป็น superfluidity ของโบส - ไอน์สไตน์นั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิด
โบส - ไอน์สไตน์ควบแน่นของคู่เฟอร์มิออนที่ถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างหลวม ๆ เมื่อโมเลกุลถูกค้นพบในเดือนพฤศจิกายน 2546 โดยทีมอิสระที่มหาวิทยาลัยโคโลราโดที่โบลเดอร์มหาวิทยาลัยอินส์บรุคในออสเตรียและที่ MIT อย่างไรก็ตามการสังเกตการควบแน่นของ Bose-Einstein นั้นไม่เหมือนกับการสังเกตการฟลูออรีน การศึกษาเพิ่มเติมได้ดำเนินการโดยกลุ่มเหล่านี้และที่ Ecole Normale Superieure ในปารีส, Duke University และ Rice University แต่หลักฐานของความฟุ่มเฟือยนั้นไม่ชัดเจนหรือโดยอ้อม
ก๊าซ superfluid Fermi ที่สร้างขึ้นที่ MIT ยังสามารถใช้เป็นระบบแบบจำลองที่ควบคุมได้ง่ายเพื่อศึกษาคุณสมบัติของสสารในรูปแบบ fermionic ที่หนาแน่นกว่าเช่นตัวนำยิ่งยวดของแข็งดาวนิวตรอนหรือพลาสมาควาร์กกลูออนที่มีอยู่ในเอกภพยุคแรก
การวิจัย MIT ได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, สำนักงานวิจัยกองทัพเรือ, องค์การนาซ่าและสำนักงานวิจัยกองทัพบก
แหล่งต้นฉบับ: ข่าวประชาสัมพันธ์ของ MIT
