Твердое, жидкое, газообразное - в повседневной жизни вы соприкасаетесь только с этими тремя агрегатными состояниями. Однако ученые из Инсбрука уже давно работают над новым состоянием вещества при низких температурах - конденсатом Ферми. В таких ферми-конденсатах впервые были обнаружены убедительные признаки невязкого течения частиц (сверхтекучести). Таким образом, исследователи подошли ближе к горячо оспариваемой вехе в физике - сверхпроводнику при комнатной температуре.
Конденсат Ферми, обнаруженный впервые несколько месяцев назад, подобен конденсату Бозе-Эйнштейна (БЭК), форме материи, состоящей из охлажденных частиц, находящихся очень близко к абсолютному нулю при - 273 градуса Цельсия. Частицы в БЭК имеют целочисленный угловой момент и поэтому принадлежат к классу бозонов, которые социализируются в конденсат, а затем коллективно ведут себя как единый объект. Однако ферми-конденсат состоит не из бозонов, а из фермионов с полуцелым угловым моментом. Фермионы обычно одиночные и, подобно бозонам, становятся общительными и могут конденсироваться только в паре. В конце прошлого года группа Гримм использовала трюк, чтобы объединить два фермионных атома лития-6 в ультрахолодном газе в молекулы (бозоны) и впервые в мире охладить их до БЭК. Этот молекулярный конденсат является отправной точкой для новых экспериментов по ферми-конденсатам.
Веские доказательства сверхтекучести
Инсбрукские ученые способны изменять силы связи между атомами, что превращает молекулярный конденсат в конденсат Ферми. Этот сверххолодный газ исследуется спектроскопически с помощью радиоволн. «Из наших измерений мы получили четкие указания на сверхтекучесть конденсата Ферми, что поэтому можно считать впервые доказанным», - убежден Гримм. Доказательство сверхтекучести ферми-газов в настоящее время является горячо оспариваемой вехой в физике. Данные измерений показывают энергетическую щель как характеристику образования пар и позволяют впервые исследовать свойства фермионных пар. Измеренные зависимости плотности, прочности связи и температуры позволяют сделать вывод о сверхтекучести. Сверхтекучесть - это явление, при котором частицы могут проходить даже через самые узкие капилляры без потерь на трение. «Следующим большим шагом, который мы, надеемся, сделаем первыми, станет прямое наблюдение сверхтекучих течений», - уже ставит перед собой новые цели Гримм.
Новые данные о сверхпроводниках
В дополнение к этому фундаментальному открытию, раскрывающему новое понимание квантовой механики, Гримм также надеется найти новые способы создания сверхпроводников при комнатной температуре. При низких температурах металлические сверхпроводники внезапно теряют электрическое сопротивление и могут проводить электричество без трения. Новые данные о конденсате Ферми могут помочь в разработке повседневных сверхпроводников. Самая высокая известная в настоящее время температура, при которой возникает сверхпроводимость, составляет -135 градусов Цельсия.
Успешного сотрудничества
Команда Гримма почти четыре года занимается исследованиями в Университете Инсбрука, а с прошлого года также в недавно созданном Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук. Конкретная работа финансировалась Фондом содействия научным исследованиям (FWF) в рамках специальной исследовательской области «Контроль и измерение когерентных квантовых систем» и грантом Лизы Мейтнер тайваньскому приглашенному ученому доктору К. Ченг Чин (первый автор статьи в журнале Science).