Ερευνητές δημιουργούν νέα μορφή ύλης που είναι ταυτόχρονα υπερστερεό και υπερρευστό

Φυσικοί του MIT δημιούργησαν μια νέα μορφή ύλης, ένα υπερστερεό, που συνδυάζει τις ιδιότητες των στερεών με αυτές των υπερρευστών. Χρησιμοποιώντας λέιζερ για να χειραγωγήσουν ένα υπέρευστο αέριο, γνωστό ως συμπύκνωμα Bose-Einstein, η ομάδα μπόρεσε να μετατρέψει το συμπύκνωμα σε μια κβαντική φάση της ύλης που έχει μια δύσκαμπτη δομή – όπως ένα στερεό – και μπορεί να ρέει χωρίς ιξώδες – ένα βασικό χαρακτηριστικό ενός υπερρευστού. Οι μελέτες πάνω σε αυτή την φαινομενικά αντιφατική φάση της ύλης θα μπορούσαν να αποδώσουν βαθύτερη γνώση στα υπερρευστά και τους υπεραγωγούς, που είναι σημαντική για βελτιώσεις σε τεχνολογίες, όπως οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες και αισθητήρες, καθώς επίσης και την αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας. Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Nature του Μαρτίου.

«Είναι αντίθετο στο αναμενόμενο να έχεις ένα υλικό το οποίο να συνδυάζει υπερρευστότητα και στιβαρότητα», λέει ο επικεφαλής της ομάδας Wolfgang Ketterle, Καθηγητής Φυσικής στο MIT. «Εάν ο καφές σας ήταν υπερρευστό και τον ανακατεύατε, θα συνέχιζε να περιστρέφεται γα πάντα». Οι φυσικοί είχαν προβλέψει την πιθανότητα των υπερστερεών αλλά δεν τα είχαν παρατηρήσει στο εργαστήριο. Διατύπωναν την υπόθεση ότι το στερεό ήλιο θα μπορούσε να γίνει υπέρρευστο, εάν τα άτομα του ηλίου θα μπορούσαν να κινηθούν γύρω σε ένα στερεό κρύσταλλο του ηλίου, και να γίνει ουσιαστικά ένα υπερστερεό. Ωστόσο, η πειραματική απόδειξη παρέμεινε άπιαστη.

Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα συνδυασμό λέιζερ ψύξης και μεθόδους ψύξης αναθυμιάσεων, στην ανάπτυξη των οποίων συνέβαλε ο Ketterle, για να ψύξει άτομα νατρίου σε θερμοκρασίες νανοκέλβιν. Τα άτομα του νατρίου είναι γνωστά ως μποζόνια, για τον αριθμό των νουκλεονίων και των ηλεκτρονίων τους. Όταν ψύχθηκαν κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα μποζόνια διαμορφώνουν μια υπέρρευστη κατάσταση του αραιωμένου αερίου, που καλείται συμπύκνωμα Bose-Einstein ή BEC. Ο Ketterle συνέβαλλε στην ανακάλυψη των BECs – μια ανακάλυψη για την οποία βραβεύθηκε με το βραβείο Nobel Φυσικής του 2001.

«Η πρόκληση τώρα ήταν να προστεθεί κάτι στο BEC για να διασφαλιστεί ότι ανέπτυξε ένα σχήμα ή μορφή πέρα από το σχήμα της «παγίδας ατόμου», που είναι ο χαρακτηριστικός ορισμός ενός στερεού», εξηγεί ο Ketterle.

Για να δημιουργήσει την υπερστερεά κατάσταση, η ομάδα χειραγώγησε την κίνηση των ατόμων του BEC χρησιμοποιώντας δέσμες λέιζερ, αναπτύσσοντας «σύζευξη τροχιακών σπιν». Στο θάλαμο υπερυψηλού κενού, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα αρχικό σύνολο λέιζερ για να μετατρέψει τα μισά άτομα του συμπυκνώματος σε μια διαφορετική κβαντική κατάσταση, ουσιαστικά δημιουργώντας ένα μίγμα δυο συμπυκνωμάτων Bose-Einstein. Πρόσθετες δέσμες λέιζερ μετά μετέφεραν άτομα μεταξύ των δυο συμπυκνωμάτων, μια διαδικασία που ονομάζεται «αναστροφή σπιν». «Αυτά τα επιπλέον λέιζερ δίνουν στα «αντεστραμμένου σπιν» άτομα ένα επιπλέον λάκτισμα για να υλοποιηθεί η σύζευξη των τροχιακών σπιν», λέει ο Ketterle.

Οι φυσικοί είχαν προβλέψει ότι ένα συζευγμένων τροχιακών σπιν συμπύκνωμα Bose-Einstein θα είναι ένα υπερστερεό, που οφείλεται σε μια αυθόρμητη «διαμόρφωση πυκνότητας». Όπως ένα κρυσταλλικό στερεό, η πυκνότητα ενός υπερστερεού δεν είναι πλέον σταθερή αλλά έχει ένα μοτίβο κυματισμού που καλείται «φάση ράβδωσης». Όπως είπε μέλος της ομάδας, «το δυσκολότερο μέρος ήταν να παρατηρηθεί αυτή η διαμόρφωση πυκνότητας». Η παρατήρηση αυτή επιτεύχθηκε με ένα άλλο λέιζερ, η ακτίνα του οποίου περιθλάται από τη διαμόρφωση της πυκνότητας και όπως αναφέρθηκε «η συνταγή για το υπερρευστό είναι πραγματικά απλή, αλλά ήταν μια μεγάλη πρόκληση η ακριβής διευθέτηση όλων των δεσμών των λέιζερ και η σταθεροποίηση για να παρατηρηθεί η φάση ράβδωσης».

Προς το παρόν, το υπερστερεό υπάρχει μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες κάτω από συνθήκες υπερυψηλού κενού. Στην πορεία, η ομάδα σχεδιάζει να διεξαγάγει επιπλέον πειράματα στα υπερστερεά και στη σύζευξη τροχιακών σπιν προσδιορίζοντας και κατανοώντας τις ιδιότητες της νέας μορφής ύλης που δημιούργησαν.