hrvatski

Suprafluidno stanje fermionskog plina

Američki su znanstvenici s Massachusetts instituta za tehnologiju (Massachusetts Institute of Technology (MIT)) u Bostonu (SAD) po prvi puta eksperimentalno dokazali postojanje suprafluidnog stanja u fermionskom plinu [1]. Nakon otkrića Bose-Einsteinovog kondenzata prije gotovo deset godina (o čemu je pisao i Matematičko-fizički list u broju 3/195 od 1999. godine [2]), ovo je još jedan revolucionarni eksperiment koji nam otkriva svu čarobnost svijeta kvantne fizike. Sve se elementarne čestice u prirodi, po iznosu svoga vlastitog zakretnog momenta (spina), mogu podijeliti u dvije kategorije: na fermione (poput elektrona i kvarkova) i bozone (fotoni i gluoni, primjerice). Dok je spin bozona cjelobrojni višekratnik reducirane Planckove konstante ћ (jednake Planckovoj konstanti podijeljenoj s 2   fermioni imaju spin jednak polucjelobrojnom višekratniku ћ (na primjer, ћ /2). Fermione i bozone razlikuje jedna fundamentalna razlika: dok za bozone nema ograničenja u popunjavanju kvantnih stanja (definiranih njihovom osnovnim svojstvima kao što su energija, spin ili zakretni moment), fermioni se podvrgavaju Paulijevom principu isključenja. On kaže da se dva fermiona ne mogu naći u jednakom kvantnom stanju. Hlađenjem bozona na vrlo niske temperature nastane takozvano Bose-Einsteinovo kondenzirano stanje u kojemu sve čestice-bozoni zauzmu stanje najniže energije. Paulijev princip priječi da fermioni stvore kondenzirano stanje poput Bose-Einsteinovog. Fermioni ipak pod određenim uvjetima mogu stvoriti kondenzirano stanje: njihovim međusobnim sparivanjem nastaju čestice cjelobrojnog spina i, prema tome, bozonskoga karaktera. Nastanak kondenziranog stanja fermiona dovodi do zanimljivih pojava poput supravodljivosti i suprafluidnosti. U slučaju prijelaza metala u supravodljivo stanje elektroni tvore takozvane Cooperove parove, odnosno vezano stanje dvaju elektrona (ukupni spin Cooperovog para je jednak nuli) koji prenose električni naboja bez otpora. Suprafluidno stanje tekućine karakterizirano je njenim tokom bez viskoznosti (odnosno, bez otpora). Vrtnjom suprafluida on postaje ispunjen nizom sićušnih virova oko kojih kruže njegove čestice. Znanstvenici s MIT-a su za dokazivanje suprafluidne prirode fermionskog plina koristili na vrlo nisku temperaturu ohlađen plin litija 6Li. Najprije su litijev plin prostorno « zarobili» laserskom zrakom kružnoga oblika (na naslovnici je ta zraka označena ružičastom bojom, a litij crvenom). Potom su dvije laserske zrake (označene zelenom bojom) usmjerene na rubove litijevoga plina, čijom je vrtnjom na vrtnju prinuđen i sam plin. Plin je litija-6 bio vrlo hladan (i time u suprafluidnom stanju) te su se njegovom vrtnjom unutar njega stvorili suprafluidni virovi (označeni crnim točkicama). Virovi su jako malih dimenzija i trebalo je nekako raširiti da bi se mogli vidjeti. Zato je u određenom trenutku laserska zraka koja je zarobljavala plin isključena i plin se, zajedno s virovima, počeo širiti (to je skicirano na donjemu dijelu slike). Kao što smo već ranije rekli, da bi plin fermiona mogao postati suprafluidnim potrebno je postići međusobno vezanje između čestica. U slučaju je litija-6 to moguće vanjskim magnetskim poljem stvorenim zavojnicama (označene plavim torusima na slici). O jakosti magnetskog polja ovisi i jakost međusobnog vezivanja fermionskih čestica te možemo imati snažno (kao u slučaju Bose-Einsteinove kondenzacije) i slabo vezane čestice (analogno vezanjem elektrona u Cooperove parove). Relativno jednostavna mogućnost mijenjanja jačine međudjelovanja između čestica fermiona pokazana ovim eksperimentom će znanstvenicima omogućiti odgovore na mnoga do sada kontroverzna pitanja prisutna u fizici, od mehanizama ključnih za nastanak visokotemperaturne supravodljvosti, preko fizike neutronskih zvijezda pa sve do izučavanja takozvane kvark-gluonske plazme, jedne od ranih faza u razvoju Svemira. S veseljem iščekujemo odgovore na ta i još mnoga pitanja, o čemu ćemo vas redovito izvještavati na stranicama Matematičko-fizičkog lista.

suprafluidnost; fermionski plin

nije evidentirano