Сверхтекучесть: новый взгляд на феномен

Группа исследователей из Массачусетса получила сверхтекучее вещество с помощью чрезвычайно мощного магнитного поля 26 Август 2015, 14:42
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые получили сверхтекучий газ, так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, в чрезвычайно мощном магнитном поле. В ходе эксперимента использовалось синтетическое магнитное полее, сгенерированное при помощи лазерных лучей — в 100 раз более сильное, чем самые мощные магниты в мире. В этом магнитном поле исследователи смогли поддерживать сверхтекучесть газа в течение одной десятой секунды — достаточно долго для того, чтобы его можно было исследовать. 
Сверхтекучесть — фаза вещества, которая свойственна только лишь некоторым жидкостям или газам, когда они охлаждаются до сверхнизких температур. При приближении температуры к абсолютному нулю, атомы перестают двигаться по индивидуальным траекториям, и начинают двигаться совместно, как одна волна.
Представлется, что сверхтекучие вещества могут течь бесконечно долго без потери энергии, также как электроны в сверхпроводнике. Наблюдение за поведением сверхтекучих веществ может помочь ученым улучшить качество сверхпроводящих магнитов и датчиков, и разработать энергоэффективные методы передачи электричества.
Но сверхтекучие вещества неустойчивы, и могут моментально перейти в другую фазу, если не поддерживать сверхнизкую температуру или не локализовать атомы. Команда MIT совмещала различные технологии создания сверхнизких температур, чтобы получить и удержать сверхтекучий газ на достаточное время для его наблюдения в сверхмощных синтетических магнитных полях.
«Бросаться в крайности – путь к открытиям, — рассказывает глава исследовательской группы Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle). — Мы используем сверххолодные атомы, чтобы планировать и понимать поведение материалов, которые еще не созданы. В этом смысле, мы опережаем природу».
Группа Кеттерле работает с лазерами для получения сверхтекучего вещества в МТУ. Слева направо: аспирант Колин Кеннед (Colin Kenned), профессор Вольфганг Кеттерле, аспирант Уильям Коди Бертон (William Cody Burton), и аспирант Ву Чань Чунь (Woo Chang Chung).
Когда заряженные частицы подвергаются действию магнитных полей, их траектории стремятся к круговым орбитам. Однако для удержания электронов в микроскопическом масштабе кристаллического материала, требуется магнитное поле в 100 раз сильнее, чем то, которое достижимо с помощью самых сильных магнитов.
Исследователи задались вопросом, может ли это быть применено к сверххолодным атомам в оптической решетке. Поскольку сверххолодные атомы не заряжены, как электроны, и являются нейтральными частицами, на их траектории не влияет магнитное поле.
Группа из Массачусетса использовала технологию генерирования синтетического сверхмощного магнитного поля при помощи лазерных лучей, чтобы задать движение атомов на очень малых орбитах, идентичных орбитам электронов в реальном магнитном поле. В 2013 году Кеттерле и его коллеги продемонстрировали технологию, которая использует наклон оптической решетки и два дополнительных лазерных луча для управления движением атомов.
На плоской решетке атомы могут легко перемещаться с места на место. Однако на наклонной решетке атомам приходится противодействовать силе гравитации. В этом случае атомы могут передвигаться только с помощью лазерных лучей.
Используя лазерные лучи, группа смогла получить орбиту атомов радиусом до двух ячеек решетки, идентичную тому, как частицы могли бы двигаться в очень сильном магнитном поле.
Исследователям удалось поддерживать сверхтекучий газ в течение одной десятой секунды. За это время группа сделала снимки распределения атомов, чтобы зафиксировать топологию, или форму сверхтекучего вещества. Эти изображения также показывают структуру магнитного поля – то, что было известно, но никогда еще не наблюдалось непосредственно до сегодняшнего дня.
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и Научно-исследовательским управлением Армии США.

Источник
Группа впервые использовала сочетание охлаждения лазером и методы охлаждения испарением (Кеттерле является одним из разработчиков этих методов) для охлаждения атомов рубидия до нанокельвинов. Атомы рубидия относятся к бозонам, поскольку они имеют четное количество нуклонов (протонов и нейтронов). При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю, бозоны образовывают конденсат Бозе-Эйнштейна – сверхтекучее состояние, которое впервые было открыто совместно с Кеттерле, и за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 2001 году. После охлаждения атомов исследователи использовали несколько лазеров, чтобы создать кристаллическую решетку атомов, или оптическую решетку. Электрическое поле лазерных лучей создает структуру, которая похожа на расположение частиц в реальных кристаллических материалах.