Neue Form der Materie geschaffen

Ein rotierendes superfluides Gas aus Fermionen, die mit Wirbeln durchbohrt sind. Bildnachweis: MIT. Klicken um zu vergrößern.
MIT-Wissenschaftler haben einem hitzigen Wettlauf unter Physikern ein unterkühltes Ende gesetzt: Sie haben als erste eine neue Art von Materie geschaffen, ein Atomgas, das Hochtemperatur-Superfluidität zeigt.

Ihre Arbeit, über die in der Nature-Ausgabe vom 23. Juni berichtet wird, hängt eng mit der Supraleitung von Elektronen in Metallen zusammen. Beobachtungen von Superfluiden können helfen, noch offene Fragen zur Hochtemperatursupraleitung zu lösen, die weit verbreitete Anwendungen für Magnete, Sensoren und den energieeffizienten Transport von Elektrizität hat, sagte Wolfgang Ketterle, Nobelpreisträger, der die MIT-Gruppe leitet und der John D. MacArthur ist Professor für Physik.

Das Superfluidgas so deutlich zu sehen, ist ein so dramatischer Schritt, dass Dan Kleppner, Direktor des MIT-Harvard-Zentrums für ultrakalte Atome, sagte: „Dies ist keine rauchende Waffe für Superfluidität. Das ist eine Kanone. “

Forschungsgruppen auf der ganzen Welt untersuchen seit mehreren Jahren kalte Gase sogenannter fermionischer Atome mit dem Ziel, neue Formen der Superfluidität zu finden. Ein superfluides Gas kann ohne Widerstand strömen. Es kann deutlich von einem normalen Gas unterschieden werden, wenn es gedreht wird. Ein normales Gas dreht sich wie ein gewöhnliches Objekt, aber ein Superfluid kann sich nur drehen, wenn es Wirbel bildet, die Mini-Tornados ähneln. Dies gibt einem rotierenden Superfluid das Aussehen von Schweizer Käse, wobei die Löcher die Kerne der Mini-Tornados sind. "Als wir das erste Bild der Wirbel auf dem Computerbildschirm sahen, war es einfach atemberaubend", erinnerte sich Doktorand Martin Zwierlein an den Abend des 13. April, als das Team das superfluide Gas zum ersten Mal sah. Seit fast einem Jahr arbeitet das Team daran, Magnetfelder und Laserstrahlen sehr rund zu machen, damit das Gas in Rotation versetzt werden kann. "Es war, als würde man die Unebenheiten eines Rades abschleifen, um es perfekt rund zu machen", erklärte Zwierlein.

„Sowohl in Superfluiden als auch in Supraleitern bewegen sich Partikel im Gleichschritt. Sie bilden eine große quantenmechanische Welle “, erklärte Ketterle. Eine solche Bewegung ermöglicht es Supraleitern, elektrische Ströme ohne Widerstand zu führen.

Das MIT-Team konnte diese superfluiden Wirbel bei extrem kalten Temperaturen beobachten, als das fermionische Gas auf etwa 50 Milliardstel Grad Kelvin abgekühlt wurde, sehr nahe am absoluten Nullpunkt (-273 ° C oder -459 ° F). "Es mag seltsam klingen, Superfluidität bei 50 Nanokelvin Hochtemperatur-Superfluidität zu nennen, aber was zählt, ist die Temperatur, die durch die Dichte der Partikel normalisiert wird", sagte Ketterle. "Wir haben jetzt mit Abstand die höchste Temperatur aller Zeiten erreicht." Skaliert auf die Elektronendichte in einem Metall wäre die Superfluid-Übergangstemperatur in Atomgasen höher als Raumtemperatur.

Ketterles Teammitglieder waren MIT-Absolventen Zwierlein, Andre Schirotzek und Christian Schunck, die alle Mitglieder des Zentrums für ultrakalte Atome sind, sowie der ehemalige Doktorand Jamil Abo-Shaeer.

Das Team beobachtete eine fermionische Superfluidität im Lithium-6-Isotop, das drei Protonen, drei Neutronen und drei Elektronen umfasste. Da die Gesamtzahl der Bestandteile ungerade ist, ist Lithium-6 eine Fermion. Unter Verwendung von Laser- und Verdunstungskühlungstechniken kühlten sie das Gas nahe dem absoluten Nullpunkt ab. Sie fingen das Gas dann im Fokus eines Infrarotlaserstrahls ein; Die elektrischen und magnetischen Felder des Infrarotlichts hielten die Atome an Ort und Stelle. Der letzte Schritt bestand darin, einen grünen Laserstrahl um das Gas zu drehen, um es in Rotation zu versetzen. Ein Schattenbild der Wolke zeigte ihr superfluides Verhalten: Die Wolke wurde von einer regelmäßigen Reihe von Wirbeln durchbohrt, die jeweils ungefähr gleich groß waren.

Die Arbeit basiert auf der früheren Entwicklung von Bose-Einstein-Kondensaten durch die MIT-Gruppe, einer Form von Materie, in der Partikel kondensieren und als eine große Welle wirken. Albert Einstein sagte dieses Phänomen 1925 voraus. Wissenschaftler stellten später fest, dass Bose-Einstein-Kondensation und Superfluidität eng miteinander verbunden sind.

Die Bose-Einstein-Kondensation von Fermionspaaren, die lose als Moleküle miteinander verbunden waren, wurde im November 2003 von unabhängigen Teams an der Universität von Colorado in Boulder, der Universität Innsbruck in Österreich und am MIT beobachtet. Die Beobachtung der Bose-Einstein-Kondensation ist jedoch nicht dasselbe wie die Beobachtung der Superfluidität. Weitere Studien wurden von diesen Gruppen und an der Ecole Normale Superieure in Paris, der Duke University und der Rice University durchgeführt, aber die Beweise für Superfluidität waren nicht eindeutig oder indirekt.

Das am MIT erzeugte superfluide Fermi-Gas kann auch als leicht kontrollierbares Modellsystem dienen, um Eigenschaften viel dichterer Formen fermionischer Materie wie feste Supraleiter, Neutronensterne oder das im frühen Universum existierende Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen.

Die MIT-Forschung wurde von der National Science Foundation, dem Office of Naval Research, der NASA und dem Army Research Office unterstützt.

Originalquelle: MIT-Pressemitteilung

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