Поиск по сайту
Проект публикации книги «Познай самого себя»
Узнать, насколько это интересно. Принять участие.
Короткий адрес страницы: fornit.ru/2094
Содержание журнала Достижения науки, техники и культуры
Ссылка на первоисточник статьи: http://www.scientific.ru/journal/fermicondensat.html.

Пятое состояние вещества

В последнее время по страницам СМИ промелькнуло сообщение о создании нового состояния вещества - фермионного конденсата. Говорится, что это открытие поможет лучше понять природу сверхпроводимости и, возможно, позволит создать комнатно-температурные сверхпроводники. Попробуем разобраться, что же сделали ученые из штата Колорадо, и причем тут сверхпроводники.

В последнее время по страницам СМИ промелькнуло сообщение о создании нового состояния вещества - фермионного конденсата. Говорится, что это открытие поможет лучше понять природу сверхпроводимости и, возможно, позволит создать комнатно-температурные сверхпроводники. Попробуем разобраться, что же сделали ученые из штата Колорадо, и причем тут сверхпроводники.

Рис.1. Схематическое изображение распределения фермионов и бозонов по квантовым состояниям при температуре ниже температуры вырождения (из выпуска 23 бюллетеня ПерсТ за 2003 г.).

В зависимости от спина все частицы можно отнести к одному из двух классов - бозонов (это частицы с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна - фотон, мезоны, глюон и т.д.) или фермионов (это частицы с полуцелым спином, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака - электрон, кварк, протон, нейтрон и т.д.). Частицы, состоящие из фермионов, могут быть как фермионами, так и бозонами ("составными бозонами") - в зависимости от суммарного спина составной частицы. Наиболее разительно различие в поведении систем ферми-частиц и бозе-частиц проявляется при низких температурах. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы, и при стремлении к температуры к нулю фермионы заполняют "поочередно" возможные квантовые состояния таким образом, чтобы энергия системы была наинизшей (рис.1, слева). При нулевой температуре заполненной оказывается полоса состояний, начиная с состояния с наименьшей энергией до состояния с некоторой наибольшей энергией (ее называют энергией Ферми, EF), "разделяющего" заполненные и незаполенные состояния. Величину TF такую, что kBTF = EF (где kB - постоянная Больцмана), называют температурой Ферми, или температурой вырождения газа ферми- частиц. Термин "вырождение" означает, что несколько квантовых состояний имеют одну и ту же энергия, например, для электронного газа в отсутствие магнитного поля имеет место "спиновое вырождение" - два электрона с противоположно направленными спинами могут иметь одну и ту же энергию. При температурах меньше TF большая часть состояний с энергией, меньшей энергии Ферми, оказывается заполненной, что сказывается на свойствах газа частиц (газ в таком состоянии называется вырожденным).

При низких температурах вырождение имеет место и для бозе-частиц, но в этом случае картина качественно отличается от описанной выше. Для бозонов не существует ограничения на число частиц в одном квантовом состоянии, и в случае, когда температура становится меньше определенной величины (называемой критической температурой - Tc), происходит Бозе-конденсация (иногда говорят - бозе-эйнштеновская конденсация) - значительная часть частиц скапливается в наинизшем энергетическом состоянии (рис.1, справа). Частицы (например, атомы), находящихся в конденсате, уже нельзя рассматривать как обособленные объекты, - они представляют собой единый макроскопический объект, подчиняющийся законам квантовой механики.

В каком-то смысле в наиболее чистом виде Бозе-конденсация была наблюдена в ультрахолодных разреженных газах в магнито-оптических ловушках в 1995 году, за что была присуждена Нобелевская премия 2001 года (про Нобелевскую премию и свойства Бозе-конденсатов см. в нашей заметке). Для того, чтобы стало возможным получать и исследовать такие уникальные квантовые макроскопические системы, как атомные Бозе-конденсаты, потребовалось научиться охлаждать газы до чудовищно низких температур в доли микрокельвина! Но, получив в свое распоржение столь интересный физический объект, ученые были вознаграждены за свой труд сполна - они смогли как наблюдать то, что раньше было "сугубо теоретическими абстракциями" (см. новость Экспериментальное наблюдение преобразований Боголюбова , так и создавать новые типы физических устройств, например, "атомные лазеры" .

Одним из удивительных свойств физических систем, связанных с Бозе-конденсацией, является сверхтекучесть - способность жидкости течь без внутреннего трения (вязкости). Сверхтекучесть впервые была открыта для жидкого гелия (точнее говоря, для наиболее распространенного изотопа 4He, являющегося бозоном) с температурой менее 2.17 К (критической температуре) в 1938 году С.П.Капицей (как способность протекать без трения сквозь узкие щели и капилляры). Сверхпроводимость, обращение электрического сопротивления материала в ноль при температурах ниже некоторой критической температуры, была открыта гораздо раньше, еще в 1911 году, однако очень долго никому и в голову не приходило связывать это загадочное явление с Бозе-конденсацией, так как электрический ток переносится электронами (фермионами).

Микроскопическая теория сверхпроводимости, хорошо описывающая известные к тому времени "традиционные" низкотемпературные сверхпроводники, была создана Бардином, Купером и Шриффером (отсюда название - теория БКШ) в 1957 г. В рамках теории БКШ сверхпроводимость объяснялась образованием связанных состояний электронов с противоположными импульсами и антипараллельными спинами (куперовских пар). Притяжение между электронами возникает вследствие взаимодействия электронов с кристаллической решеткой; "на пальцах" это можно объяснить примерно следующим образом: за счет взаимодействия с ионами кристаллической решетки один электрон вызывает их смещение из положения равновесия, а другой электрон "чувствует" положительный заряд, созданный в результате деформации решетки "первым" электроном. "Куперовская пара" является уже не фермионом, а составным бозоном, в результате чего при температуре ниже критической имеет место сверхтекучесть электронной жидкости, что и объясняет исчезновение электрического сопротивления. Сейчас глубокое родство Бозе-конденсации, сверхтекучести и сверхпроводимости считается "общим местом" (напомним, что Нобелевская премия 2003 г. по физике присуждена за "пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей"), но стоит отметить, что изначально связь между этими явлениями была совершенно не очевидна. Так, создавая свою теорию сверхтекучести в 1941 г., Ландау не видел связи между этим явлением и Бозе- конденсацией; точно также и в "основополагающей" статье Бардина, Купера и Шриффера нет ни единого упоминания о бозе-эйнштейновской конденсации.


Рис.2. Различные режимы Бозе-конденсации (a - БКШ-режим, b - переходный режим, c - классическая бозе-эйнштеновская конденсация сильно связанных составных бозонов), по оси ординат отношение критической температуры к (эффективной) температуре Ферми в логарифмическом масштабе, по оси абсцис - отношение энергии связи пары фермионов к энергии Ферми также в логарифмическом масштабе. Крестики - классические БКШ-сверхпроводники; ромб - сверхтекучий 3He; квадраты - высокотемпературные сверхпроводники; косой крест - переходная ситуация, близкая к реализующейся в описываемых ниже экспериментах; кружок - сверхтекучий 4He; треугольники - бозе-эйнштейновские конденсаты щелочных атомов. В последнем случае энергия связи полагается равна энергии однократной ионизации атома, т.е. разделения бозона на два фермиона, а TF - температуре Ферми для ионов. (из работы [3])

Безусловно, Бозе-конденсация, сверхтекучесть и сверхпроводимость очень интересны с научной точки зрения, однако до тех пор, пока речь идет о низких температурах, практические применения той же сверхпроводимости весьма и весьма ограничены необходимостью применения криоагентов (особенно когда речь идет о необходимости охлаждения с использованием дорогостоящего жидкого гелия). Конечно, с открытием высокотемпературных сверхпроводников, когда критическая температура перешагнула азотный рубеж (превысила температуру кипения жидкого азота, гораздо более доступного, чем гелий, криоагента), сверхпроводники пошли в экономику существенно активнее, но для настоящей "сверхпроводниковой революции" нужно найти материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре - комнатно-температурные сверхпроводники. Хотя принципиальных физических огранический, запрещающих существование сверхпроводников со столь высокой критической температурой, не существует, такие вещества до сих пор не открыты. Более того, если с механизмом, обеспечивающим сверхпроводимость традиционных низкотемпературных сверхпроводников, разобрались с созданием теории БКШ, то общепринятой теоретической модели высокотемпературных сверхпроводников не существует до сих пор (см., например, эту новость ). Естественно, такая ситуация не способствует определению наиболее перспективных для поиска комнатно-температурной сверхпроводимости материалов. Поэтому было бы весьма желательно иметь некую "модельную" систему, которая позволяла бы изучать поведение конденсата "куперовских пар", меняя силу связи между "электронами" и т.д.

И такая система существует - в ультрахолодных разряженных газах имеется возможность контролируемым образом (с помощью магнитного поля) менять характер взаимодействия между атомами (причем менять можно не только силу взаимодействия, но даже и его тип - притяжение/отталкивание). Благодаря этому факту при охлаждении газов из атомов-фермионов можно наблюдать Бозе-конденсацию "атомных куперовских пар" с различной энергией связи и исследовать сверхтекучесть конденсата атомных куперовских пар. Причем расчеты показывают, что температура перехода в сверхтекучее состояние (критическая температура Tc) для подобных систем может достигать десятых долей TF, тогда как для высокотемпературных сверхпроводников Tc составляет всего лишь несколько процентов TF, т.е. такие фермионные атомные конденсаты являются "родственниками" сверхпроводников с критической температурой порядка комнатной и выше.


Рис.3. Изображения фермионного конденсата для трех значений магнитных полей, отстоящих от точного значения резонанса Фешбаха на D B 0.12, 0.25 и 0.55 Гс (слева направо). Доля частиц в конденсате, полученная на основании этих изображений, составляет 10 %, 5 % и 1 %, соответственно.

Множество научных групп во всем мире (среди которых, увы, не было российских - положение российской науки, мягко говоря, не благоприятствует проведению столь сложных экспериментов) шло к заветной цели наблюдения Бозе-конденсации в газах из атомов-фермионов, и в прошлом году стало очевидно , что желаемый результат вот-вот будет достигнут. И в самом конце года практически одновременно несколько групп сообщило о наблюдении Бозе-конденсации двухатомных молекул из атомов-фермионов (о чем писали и мы). Здесь, однако, существует один нюанс - Бозе-конденсация в фермионных газах может наблюдаться в двух режимах. С одной стороны, она может происходить в традиционном режиме бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов, для которого первичны двухчастичные эффекты - образование двухатомных молекул. Хотя такие молекулы имеют чрезвычайно малую энергию связи (порядка микрокельвина и даже меньше), их еще можно рассматривать как отдельные частицы молекулярного газа (размер молекулы меньше среднего расстояния между молекулами). С другой стороны, конденсация может происходить в режиме БКШ, когда решающую роль играют уже коллективные эффекты. Хотя и в таком состоянии существуют двухчастичные "куперовские пары", энергия связи этих пар гораздо меньше, а размеры гораздо больше, чем в предыдущем случае (в объеме, "занимаемом" куперовской парой, может одновременно находиться множество других куперовских пар; для традиционных сверхпроводников - десятки тысяч). В первом случае (бозе-эйнштеновской конденсации) энергия связи молекулы много больше энергии Ферми, во втором случае (конденсация в режиме БКШ) энергия связи пары много меньше энергии Ферми (на рис. 2 схематически показаны области, соответствующие этим режимам (c) и (a), соответственно, и переходная область между ними - (b)).

И вот уже в этом году группа ученых из Национального института стандартов и технологии (Боулдер, штат Колорадо) и университета штата Колорадо, наблюдавшая в конце года Бозе-конденсацию двухатомных молекул из атомов-фермионов [1], завершила начатое, получив "фермионный конденсат" в режиме БКШ [2]. Исследователи проводили первоначальное охлаждение атомов 40K в магнитой ловушке, а затем перегружали атомы в дипольную оптическую ловушку (атомы оказывались в фокусе сильно сфокусированного лазерного луча), и продолжали охлаждать смесь двух спиновых состояний (|F = 9/2, mF = -7/2> и |F = 9/2, mF = -9/2>) 40K уже в оптической ловушке, постепенно снижая мощность лазерного излучения (более высокоэнергетичные атомы при этом покидали ловушку, что и приводило к понижению температуры газа). К началу эксперимента по наблюдению Бозе-конденсации двухкомпонентный газ находился в магнитном поле 235.6 Гс, что существенно выше резонанса Фешбаха для двух упомянутых спиновых состояний (202.1 Гс). При прохождении магнитного поля через резонансное значение происходит смена характера взаимодействия атомов с отталкивания (ниже резонанса), на притяжение (выше резонанса). На одной стороне резонанса (ниже его) имеет место бозе-эйнштеновская конденсация, уже достигнутая ранее, на другой (выше его) - конденсация должна проходить в режиме БКШ.


Рис.4. Отношение числа частиц в конденсате к общему числу частиц в зависимости от "отстройки" магнитного поля от резонанса D B. Кружки - соответствуют времени удержания конденсата 2 мс, треугольники - 30 мс. На вставке показано изменение магнитного поля со временем в ходе эксперимента.

Далее исследователи достаточно медленно уменьшали магнитное поле до заданного значения вблизи резонанса (ниже или выше его), температура газа в этих экспериментах составляла 0.08 TF (в данных условиях TF = 0.35 мкК). В течении определенного времени (от 2 мс до 30 мс) магнитное поле не менялось. Для того, чтобы зафиксировать образование конденсата фермионных пар, ученые уменьшали магнитное поле, проходя через резонанс (при этом пары атомов трансформируются в молекулы), причем уменьшали насктолько быстро (см. вставку на рис.4), что молекулярный Бозе- конденсат заведомо не успел бы сформироваться. После этого оптическая ловушка выключалась, и через 17 мс, в течении которых облако газа могло свободно расширяться, проводилась диссоциация молекул с помощью радиочастотного излучения. Затем, регистрируя резонансное поглощение света атомами калия, ученые получали изображение атомного облака (рис.3), по форме которого можно определить, имела ли место в системе Бозе-конденсация, а также определить, какая часть частиц находилась в конденсате (рис.4). Таким образом исследователи смогли зарегистрировать Бозе-конденсацию в разных режимах (по обе стороны от резонанса Фешбаха), в том числе впервые - в режиме БКШ ("фермионный конденсат").

1. M.Greiner, C.A.Regal, and D.S.Jin. Nature, v.426, 537 (2003) .

2. C.A.Regal, M.Greiner, and D.S.Jin. Phys.Rev.Lett, v.92, 040403 (2004) .

3. M.Holland, S.J.J.M.F.Kokkelmans, M.L.Chiofalo, and R.Walser. Phys.Rev.Lett., v.87, 120406 (2001) .

Е.Онищенко






Обсуждение Еще не было обсуждений.


Оценить статью >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)

   
Архив новостей
Анонсы новостей сайтов-участников    http://www.scorcher.ru/xml/news.rss - что это?
Скромное очарование этологических теорий разумности
О том, как конкретно возможно определять наличие психический явлений у организмов: Скромное очарование этологических теорий разумности.
04-12-2016г.

Субъективные модели действительности
Обзор эволюционного появления субъективных моделей действительности: Субъективные модели действительности.
30-11-2016г.

Словарный запас, используемый в тексте
Словарный запас, используемый в тексте, сколько раз используются слова (по убыванию числа): Статистика слов в тексте
25-11-2016г.

Книга по психологии
Книга по психологии - в поддержку проекта публикации.
30-09-2016г.

От рефлексов к произвольности
Переход рефлекторно сформированного действия в произвольно организованные автоматизмы:
От рефлексов к произвольности.
03-09-2016г.

Психическое явление Интерес или Инициатива наказуема?
Психическое явление Интерес или Инициатива наказуема?
17-08-2016г.

Психическое явление Превосходство
Об адаптивной роли явления превосходства, начиная с базовых механизмов реализации осознанного внимания: Психическое явление Превосходство.
09-08-2016г.

Иллюзия счастья или Стратегическая ошибка сапиенсов
Про уход от реальности или пренебрежение активной адаптивностью: Иллюзия счастья или Стратегическая ошибка сапиенсов
20-06-2016г.

Как правильно выйти замуж
Вопрос: как не продешевить с замужеством - один из актуальных.
Как правильно выйти замуж.
30-05-2016г.

Тестирование личных представлений о системной нейрофизиологии
Самопроверься перед участием в дискуссиях об интеллекте и разуме: Тестирование личных представлений о системной нейрофизиологии.
24-05-2016г.

Активность
Главная
Темы
Показы
Полезное
О сайте
Яндекс.Метрика
 посетителейзаходов
сегодня:22
вчера:11
Всего:848939