Znajdź zawartość

Naukowcy będą mogli studiować pod mikroskopem właściwości supergęstych gwiazd neutronowych, materii z momentu Wielkiego Wybuchu, czy weryfikować założenia teorii strun oraz projektować nadprzewodniki. A to wszystko dzięki zimnemu gazowi Fermiego. Gaz Fermiego to model, tzw. idealny gaz kwantowy, nazywany czasem szóstym stanem materii. John Thomas, fizyk z Duke University, wcielił ten koncept w życie, schładzając atomy litu-6 do temperatury bliskiej zeru absolutnemu (milionowe i miliardowe części Kelvina) i chwytając je w pułapkę - milimetrowej wielkości miseczkę stworzoną przez promienie lasera. Taka próbka, poddana dodatkowo działaniu odpowiednio dobranego pola magnetycznego zyskuje wyjątkowe właściwości, wśród nich niemal całkowity brak oporu podczas przepływu. To zjawisko podobne do nadciekłości, a dzieje się tak, ponieważ atomy gazu Fermiego oddziałują ze sobą tak silnie, jak tylko to możliwe. Eksperyment ma na celu zbadanie lepkości takiego gazu. Gaz Fermiego zachowuje się w różny sposób, w zależności od temperatury. Uwalniając schłodzone do miliardowych części Kelvina atomy z laserowej pułapki i chwytając ponownie wywołuje się ich drgania, które upodabniają próbkę do trzęsącej się galaretki. Mierząc oscylacje, można określić dokładnie lepkość próbki. W nieco wyższych temperaturach, rzędu milionowych części Kelvina, uwalniany gaz zmienia kształt z „cygara" na „naleśnik", z szybkością również zależną od temperatury. W tak niskich temperaturach właściwości gazu zależą od najmniejszej naturalnej podziałki, czy „linijki" - odległości pomiędzy atomami. Rozmiar ten określa skalę dla energii, temperatury, czy lepkości właśnie. Taki egzotyczny stan materii występuje w naturze, ale nie sposób go tam badać. Na przykład gwiazdy neutronowe, poza tym, że nieosiągalne, są tak gęste, że najmniejszy okruch ważyłby setki lub tysiące ton. Interesującego kosmologów stanu materii w kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu (plazma kwarkowo-gluonowa) również nie da się bezpośrednio badać. Stworzenie w laboratorium skalowalnego modelu niektórych właściwości tych stanów pozwoli na weryfikację różnych hipotez i założeń. Po przeprowadzeniu odpowiednich wyliczeń dla niskich temperatur będzie można ocenić również niektóre założenia teorii strun. W zastosowaniach bardziej praktycznych, płynność doskonała, jaką uzyskuje stworzony gaz Fermiego, pozwoli badać oczekiwane właściwości wysokotemperaturowych nadprzewodników. O swoim eksperymencie opowiada sam John Thomas:

Naukowcy z MIT-u odpowiedzieli na pytanie, które od dziesięcioleci trapiło uczonych - czy w gazach powstaje zjawisko magnetyzmu. Odpowiedź brzmi: tak. Zespół z Massachusetts Institute of Technolgy zaobserwował magnetyzm w gazie atomów litu schłodzonych do temperatury -273 stopni Celsjusza. W ten sposób udowodniono, że gaz złożony z fermionów nie musi tworzyć sieci krystalicznej, by być ferromagnetykiem. Uczeni od dziesięcioleci zastanawiali się, czy gazy i płyny mogą być ferromagnetykami, czyli materiałami wykazującymi silne właściwości magnetyczne nawet bez obecności pola magnetycznego. W ciałach stałych, takich jak żelazo czy nikiel, mamy do czynienia z ferromagnetyzmem wówczas, gdy nietworzące par elektrony w siatce krystalicznej spontanicznie ustawiają się w tym samym kierunku. Wszystkie fermiony (elektrony, protony i neutrony) wykazują właściwości podobne do elektronów, a więc mogą zostać użyte do symulowania ich zachowania w elektromagnesie. Atomy i molekuły, które posiadają równe liczby fermionów uznawane są za złożone fermiony. Dlatego też uczeni z MIT-u użyli litu-6, którego atomy składają się z trzech elektronów, trzech protonów i trzech neutronów. Wiadomo, że w naturze istnieją naturalne płyny i gazy fermionowe. Występują on w ciekłym helu-3 i w gwiazdach neutronowych. Jednak, jak wyjaśnia Gyu-boong Jo, członek zespołu badawczego, naturalne gazowa i ciekłe systemy fermionów nie wykazują właściwości ferromagnetycznych, gdyż poszczególne elementy zbyt słabo ze sobą oddziałują. Jednak w przypadku atomów litu-6 możliwe jest manipulowanie siłą oddziaływań dzięki zmianom zewnętrznego pola magnetycznego. Uczeni z MIT-u najpierw złapali chmurę chłodnych atomów litu w pułapkę stworzoną za pomocą lasera na podczerwień. Następnie zwiększali stopniowo siły oddziałujące pomiędzy atomami. Początkowo chmura zaczęła się powiększać, a później gwałtownie się skurczyła. gdy atomy uwolniono z pułapki, doszło do bardzo szybkiego powiększania się chmury. Takie zachowanie jest zgodne z teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi zjawisk zachodzących podczas przechodzenia do stanu ferromagnetyka. Specjaliści zgadzają się, że uzyskano w ten sposób bardzo silny dowód na to, iż gazy fermionowe mogą mieć takie właściwości jak krystaliczne ferromagnetyki. Jednak ostatecznym dowodem byłoby bezpośrednie zaobserwowanie ferromagnetyzmu. MIT ma zamiar nadal prowadzić badania nad nowymi właściwościami gazów, które są kontynuacją badań nad kondensatami Bosego-Einsteina. Bardzo szybko mogą one przyczynić się do powstania nowych materiałów magnetycznych, użytecznych podczas przechowywania danych, w nanotechnologii i diagnostyce medycznej. Ponadto umożliwią one dokładniejsze zbadania związków magnetyzmu i nadprzewodnictwa.