Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Твердая сверхтекучесть

21.11.2016 Наука и жизнь

Новая супертвёрдая форма вещества сочетает в себе свойства жёстких сверхтекучих жидкостей и тел.

Поведение физических объектов в так называемых стандартных условиях – при комнатной температуре и атмосферном давлении – привычно и интуитивно ясно: никому не требуется растолковывать, что такое жидкость, и вряд ли найдется человек, что удивится, заметив, как кофе выливается из перевернутой вверх дном чашки.

Распределение подвижности атомов рубидия в газообразном состоянии перед обращением их в Эйнштейна и–конденсат (слева) и по окончании (в центре и справа). (Иллюстрация: Wikipedia.) Фрагмент лабораторного оборудования, использованного Кеттерле и его сотрудниками для сверхтвердого вещества. (Фото: MIT.)‹ ›

Но с того времени, как человек нашёл в мироздании квантовые законы, отечественную бытовую интуицию со здравым смыслом вкупе было нужно очень сильно сократить в правах. Корпускулярно-волновой дуализм, квантовое туннелирование, запутанные фотоны – всё это стало экспериментально подтверждённой действительностью. Кроме того представление об агрегатных состояниях вещества потребовалось увеличить: к газу, жидкости и жёсткому телу добавилась плазма, с которой мы, но, сталкиваемся достаточно редко.Твердая сверхтекучесть

Физические особенности тел сильно зависят от температуры. Обращение не только о том, будет ли вещество жёстким, жидким либо газообразным, температура еще и «маскирует» кое-какие особенности, следующие из квантовой природы материи. Дело в том, что тепловое перемещение атомов в некоем смысле усредняет структуру вещества, и многие свойства, теоретически характерные совокупности, «размазываются» тепловыми эффектами.

хороший пример – сверхпроводимость, – состояние, при котором электроны в металле образуют «связанные» пары, что разрешает току течь без какого-либо сопротивления. При увеличении температуры электронные пары распадаются на простые электроны, и в материале появляется сопротивление. Физика конденсированных сред настойчиво ищет материал, что бы оставался сверхпроводящим при комнатной температуре, поскольку это бы разрешило сделать громадный технологический прорыв.

Кроме сверхпроводимости существует мириад квантовых фаз с самыми разнообразными и экзотическими особенностями. Одно из них – это сверхтекучесть, другими словами нулевая вязкость. К примеру, будь кофе сверхтекучим, он «выползал» бы из чашки, а если бы мы его размешали, он бы крутился в воронке вечно.

Дабы избавиться от усредняющего результата теплового перемещения атомов, квантовые фазы вещества приходится изучать в экстремальных лабораторных условиях: при низких температурах, в глубоком вакууме, а время от времени и в очень высоких магнитных полях. По мере понижения температуры тепловое перемещение уступает по энергии квантовым особенностям вещества, и свойства вещества покупают контринтуитивный темперамент. Такие головоломки в большинстве случаев ведут к «новой физике» – исследователи вынуждены уточнять существующие модели, в противном случае и разрабатывать новую теорию, дабы растолковать неожиданные эффекты.

Но, время от времени бывает и напротив, в то время, когда теоретические предсказания бросают вызов экспериментаторам. Так, сравнительно не так давно теоретики высказали предположение, что в жёстком гелии вероятна сверхтекучесть, в случае если атомы гелия будут двигаться в жёстком кристалле гелия, проявляя так именуемое супертвёрдое поведение. Как замечать такое поведение экспериментально, но, было неясно.

Экспериментаторы из Массачусетского технологического университета под управлением Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) приняли вызов. Они применяли лазер, дабы перевести так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) в квантовую фазу, которая владеет упорядоченностью, как твёрдое вещество, в один момент сохраняя свойство течь с нулевой вязкостью, как это положено сверхтекучей жидкости. (Отметим, что сам Вольфганг Кеттерле одним из первых начал экспериментировать с холодными конденсатом и атомами Бозе-Эйнштейна, а в 2001 году он поделил Нобелевскую премию с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом, каковые в первый раз создали КБЭ в лаборатории.)

Физики применяли лазерное охлаждение в сочетании с испарительными способами охлаждения: как испарение воды с поверхности кожи понижает температуру тела, так и испарение жидкого гелия разрешает охладить пример до тысячных долей градуса выше безотносительного нуля. После этого атомы замедляют за счёт разных эффектов, появляющихся при сотрудничестве со светом, как, к примеру, обрисовано тут. Так атомы натрия были охлаждены до нескольких нанокельвинов выше безотносительного нуля (шкала Кельвина эквивалентна шкале Цельсия, лишь она отсчитывает температуру от безотносительного нуля, другими словами 0 K = -273.15°C).

При таковой низкой температуре атомы натрия будут в особенном агрегатном состоянии, либо квантовой фазе, которая и именуется конденсатом Бозе-Эйнштейна. КБЭ формируется из бозонов – частиц с целочисленным поясницей, каковые подчиняются статистике Бозе.

Основная изюминка бозонов содержится в том, что, в отличие от фермионов (другими словами частиц с нецелым поясницей, к примеру, электронов), они не подчиняются запрету Паули (напомним, это указывает, что две частицы не смогут пребывать в одном и том же месте с одной и той же энергией). Бозоны же стремятся занять одно да и то же состояние с мельчайшей вероятной энергией (обычный пример бозонов – фотоны), благодаря чего конденсат Бозе-Эйнштейна владеет необыкновенными особенностями. При атомов натрия КБЭ представляет собой разреженный сверхтекучий газ.

В соответствии с Кеттерле, одна из основных задач опыта была в том, чтобы организовать собственную форму и внутреннюю упорядоченность у КБЭ, дабы его возможно было назвать жёстким телом. Создавая сверхтвердость, физики применяли лазерные лучи для управления атомами натрия в КБЭ. Основная цель для того чтобы лазерного облучения заключалась в том, дабы создать спин-орбитальное сотрудничество в атомах конденсата Бозе-Эйнштейна.

Это сотрудничество в большинстве случаев присутствует в тяжёлых элементах, в которых электроны внешних оболочек очень сильно подвержены релятивистским эффектам. В следствии магнитный момент электрона (спин) взаимодействует со своим же орбитальным моментом.

Атомы натрия пребывали в камере со сверхглубоким вакуумом, и посредством лазеров добрая половина атомов конденсата перешла в состояние с противоположным направлением поясницы. Стоит напомнить, что направление поясницы – приближённое понятие, потому, что в квантовомеханических совокупностях подобные особенности подчиняются вероятностным законам, так что переворот поясницы – это процесс, на протяжении которого усреднённая проекция магнитного момента обрисовывает определённую траекторию в пространстве.

Итак, посредством лазера поясницы половины атомов «переворачиваются», и в ловушке практически оказывается смесь двух различных КБЭ. По словам Кеттерле, «…дополнительные лазеры дают атомам с перевёрнутыми поясницами дополнительный «толчок», дабы осуществить спин-орбитальное сотрудничество».

Теоретики предсказали, что спин-орбитальное сотрудничество в КБЭ должно приводить к сверхтвёрдому состоянию за счёт спонтанной «модуляции плотности». Как и в кристаллическом жёстком теле, плотность сверхтвёрдого тела не есть постоянной, а имеет структуру, схожую с рябью либо волнами – так именуемую фазу полос. Цзюньжу Ли (Junru Li), аспирант в группе Кеттерле, вследствие этого увидел, что «самое сложное – замечать модуляцию плотности.

Рецепт по созданию сверхтвёрдого тела сам по себе несложен, а вот сверхточная настройка лазерных лучей, дабы всё стало стабильным для наблюдения фазы полос, – это вправду тяжёлая задача». Экспериментальные результаты размещены в Nature.

На сегодня сверхтвёрдое вещество существует лишь при экстремально низких температурах в ультраглубоком вакууме. Физики планируют новые опыты со сверхтвёрдым веществом и спин-орбитальным сотрудничеством, дабы лучше  осознать и охарактеризовать новое состояние материи, которое они создали.

Другие исследовательские группы кроме этого трудятся над сверхтвёрдым веществом. Тильман Эсслингер и его несколько в Швейцарской высшей технической школе Цюриха опубликовали другой метод получения сверхтвёрдого вещества в один момент с командой Кеттерле. В их работе сверхтвёрдое состояние КБЭ получается при помощи совокупности зеркальных резонаторов, каковые собирают лазерный свет, рассеянный атомами.

В возможности нам предстоит еще больше определить как о новой экзотической форме вещества, так и о сверхтекучести и самих явлениях сверхпроводимости; и кто знает, возможно, когда-нибудь кофе в чашке в самом деле закрутится в вечной воронке.

Создатель: Аня Грушина

Источник: жизнь и Наука (nkj.ru)

Случайные записи:

ЭПОКСИДНАЯ СМОЛА ЭДП, ХИТРОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,