Un gas superfluido rotante di fermioni trafitto da vortici. Credito d'immagine: MIT. Clicca per ingrandire.
Gli scienziati del MIT hanno posto fine a una corsa super fredda tra i fisici: sono diventati i primi a creare un nuovo tipo di materia, un gas di atomi che mostra superfluidità ad alta temperatura.
Il loro lavoro, che sarà riportato nel numero di Nature del 23 giugno, è strettamente correlato alla superconduttività degli elettroni nei metalli. Le osservazioni dei superfluidi possono aiutare a risolvere le domande persistenti sulla superconduttività ad alta temperatura, che ha applicazioni diffuse per magneti, sensori e trasporto di energia ad alta efficienza energetica, ha dichiarato Wolfgang Ketterle, un premio Nobel che dirige il gruppo MIT e che è John D. MacArthur Professore di fisica.
Vedere il gas superfluido così chiaramente è un passo così drammatico che Dan Kleppner, direttore del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, ha dichiarato: “Questa non è una pistola fumante per la superfluidità. Questo è un cannone. "
Per diversi anni, gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno studiato gas freddi dei cosiddetti atomi fermionici con l'obiettivo finale di trovare nuove forme di superfluidità. Un gas superfluo può fluire senza resistenza. Può essere chiaramente distinto da un gas normale quando viene ruotato. Un gas normale ruota come un normale oggetto, ma un superfluido può ruotare solo quando forma vortici simili ai mini-tornado. Ciò conferisce a un superfluido rotante l'aspetto del formaggio svizzero, in cui i fori sono i nuclei dei mini-tornado. "Quando abbiamo visto la prima immagine dei vortici apparire sullo schermo del computer, è stato semplicemente mozzafiato", ha detto lo studente laureato Martin Zwierlein nel ricordare la sera del 13 aprile, quando il team ha visto per la prima volta il gas superfluo. Per quasi un anno, il team ha lavorato alla realizzazione di campi magnetici e raggi laser molto rotondi in modo che il gas potesse essere messo in rotazione. "È stato come levigare i dossi di una ruota per renderlo perfettamente rotondo", ha spiegato Zwierlein.
“Nei superfluidi, così come nei superconduttori, le particelle si muovono in sequenza. Formano una grande onda quantomeccanica ", ha spiegato Ketterle. Tale movimento consente ai superconduttori di trasportare correnti elettriche senza resistenza.
Il team del MIT è stato in grado di visualizzare questi vortici superfluidi a temperature estremamente fredde, quando il gas fermionico veniva raffreddato a circa 50 miliardesimi di grado Kelvin, molto vicino allo zero assoluto (-273 gradi C o -459 gradi F). "Può sembrare strano chiamare superfluidità a 50 nanokelvin superfluidità ad alta temperatura, ma ciò che conta è la temperatura normalizzata dalla densità delle particelle", ha detto Ketterle. "Ora abbiamo raggiunto di gran lunga la temperatura più alta di sempre". Aumentata fino alla densità degli elettroni in un metallo, la temperatura di transizione superfluida nei gas atomici sarebbe superiore alla temperatura ambiente.
I membri del team di Ketterle erano studenti laureati del MIT Zwierlein, Andre Schirotzek e Christian Schunck, tutti membri del Center for Ultracold Atoms, nonché l'ex studente laureato Jamil Abo-Shaeer.
Il team ha osservato la superfluidità fermionica nell'isotopo di litio-6 comprendente tre protoni, tre neutroni e tre elettroni. Poiché il numero totale di componenti è dispari, il litio-6 è un fermione. Usando tecniche di raffreddamento laser ed evaporativo, hanno raffreddato il gas vicino allo zero assoluto. Hanno quindi intrappolato il gas nel fuoco di un raggio laser a infrarossi; i campi elettrici e magnetici della luce infrarossa hanno tenuto in posizione gli atomi. L'ultimo passo è stato quello di far ruotare un raggio laser verde attorno al gas per farlo ruotare. Un'immagine ombra della nuvola mostrava il suo comportamento superfluido: la nuvola era perforata da una serie regolare di vortici, ciascuno della stessa dimensione.
Il lavoro si basa sulla precedente creazione del gruppo MIT di condensati di Bose-Einstein, una forma di materia in cui le particelle si condensano e agiscono come un'unica grande onda. Albert Einstein predisse questo fenomeno nel 1925. In seguito gli scienziati si resero conto che la condensazione e la superfluidità di Bose-Einstein sono intimamente correlate.
La condensazione di Bose-Einstein di coppie di fermioni che sono state legate in modo lasco come molecole è stata osservata nel novembre 2003 da team indipendenti dell'Università del Colorado a Boulder, dell'Università di Innsbruck in Austria e del MIT. Tuttavia, osservare la condensa di Bose-Einstein non equivale a osservare la superfluidità. Ulteriori studi sono stati condotti da questi gruppi e all'Ecole Normale Superieure di Parigi, Duke University e Rice University, ma le prove della superfluidità erano ambigue o indirette.
Il gas Fermi superfluido creato al MIT può anche servire come sistema modello facilmente controllabile per studiare le proprietà di forme molto più dense di materia fermionica come superconduttori solidi, stelle di neutroni o il plasma quark-gluone che esisteva nell'universo primordiale.
La ricerca del MIT è stata sostenuta dalla National Science Foundation, dall'Office of Naval Research, dalla NASA e dall'Esercito Research Office.
Fonte originale: comunicato stampa del MIT
