ابرشارگی در یک گاز فوق سرد ِفرمیونی

اردیبهشت ِ سال ۱۳۸۳ بود که ابرشارگی در یک گاز ِ فرمیونی در دانشگاه دوک(Duke University) توسط جان توماس (۱) و مایکل جم (۲) گزارش شد. این پژوهشگران مشاهده کردند که یک گاز فوق سردِ اتمهای لیتیم-۶ مثل ِ یک تکه ژله ی گنده ارتعاش پیدا می کنداین رفتار ِ ژله-مانند (هیدرودینامیکی) در شرایط معمولی هم در گاز ِ فوق سرد ِ لیتیم مشاهده می شود اما این پژوهشگران دریافتند که تخت ِ شرایطی که آنها بوحود آوردند گاز ِ آنها تبدیل به یک ابرشاره شده و مثل ِ یک تکه ژله ی «کامل» اگر کمی لزرانده شود برای مدت طولانی ارتعاشاتش از بین نمی روداینکه می توان به دقت خصوصیات ِ چنین ژله ی اتمی ای را در آزمایشگاه بررسی کرد اطلاعات بسیاری راجع به سیستمهای ابرشاره ی دیگری چون ستاره های نوترونی که قابل دسترس نیستند فراهم می آورد. همچنین بررسی ژله ی اتمی می تواند حتا نشان دهد که آیا از نظر فیزیکی درست کردن ِ ابررسانایی که در دمای اتاق به خوبی کار می کند ممکن است یا خیر. اگر ابررسانای گرم درست شود انرژی ِ زیادی در صنعت ذخیره می شودبسیاری از سیستمها مانند ِ پلاسمای کوارک-گلوئون یا نوترونهای ستاره های نوترونی از جفتهای برهم کنشی ِ قدرتمند ِ ذرات ِ اسپین ِ بالا و اسپین ِ پایین ساخته شده اند. (اسپین بالا/پایین مشابه ِ اتمهایی که مغناطش ِ بالا/پایین دارند است
ابرشاره از اتنهای لیتیم-۶ این اتنها در حالت ِ مرموز ِ همگذری (cross-over regime)بودند که حالتیست که در آن جفتهای اتمی نه مولکولند (که در آن حال بتوانند چگالش ِ بوز-انشتینBose-Einstein condensate را شکل دهند) و نه از نوع ِ جفتهای کوپر ِ معروف در ابررسانایی هستند که بصورت ِ ضعیفی به هم وصل باشند
آنها در این آزمایش اتمهای لیتیم-۶ را سرد کرده و با پرتو ِ لیزر ِ متمرکزی که میدان الکتریکی اش اتمها را محدود (confine)می کند؛ اتمهای لیتیم را به دام انداختند. آنها مطمئن شدند که اتنمهای مورد نظر در وضعیت ِ %۵۰ اسپین بالا و %۵۰ پایین هستند. سپس آنها سیستم ِ نوری ِ خود را برای پایین آوردن دمای اتمها بروش ِ «سرمایش ِ تبخیریevaporating cooling» روی اتمها به کاز انداختند تا اجازه دهند که اتمهای داغتر فرار کنند و دمای مجموعه پایین بیایدبعد آنها توانایی ِ لرزش ِ ژله مانند ِ این گاز ِ سرد شده را بررسی کردند. برای اینکار آنها لیزر ِ بدام اندازده را برای مدت ِ کوتاهی خاموش کردند و اجازه دادند که گاز منبسط شود و بعد دوباره لیزر را روشن کردند. در آن لحظه گاز ِژله مانند تکانی می خورد و پژوهشکران یک سری عکس از لرزش انداختند. آنها فرکانس ِ لرزش و طول عمر ِ آن لرزش را اندازه گرفتندلرزش ِ ابر ِ مافوق ِ سرد ِ لیتیم-۶. محققان دریافتند که لرزش در این گاز برای مدت ِ طولانی پایدار می ماند و مانند ابرشاره عمل می کند.(منبع یکبار آنها میدان مغناطیسی را طوری تنظیم کردند که اتمها قویا با هم برهمکنش کنند. در این حالت فرکانس ِ لرزشی ِ ۲۸۳۷ hzثبت شد که در توافق با پیش بینی نظری ِ ۲۸۳۰ hzبرای یک گاز ِ هیدرودینامیک ِ فرمی است در یک گاز هیدرودینامیک ِ معمولی دمای پایین تر باعث می شود که لرزش یا ارتعاش میرا و میراتر شود و از بین برود. انا در این آزنایش با کاهش ِ دمای گاز لرزش یا ارتعاش ِ طولانی تر می شود که بر خلاف ِ انتظار از یک گاز ِ هیدرودینامیک ِ معمولی است بنابراین فیزیکدانان ِ دانشگاه ِ دوک حدس زدند که حالت ِ ابرشارگی رخ داده است. آنها این خالت زا در دماهای زیر ِ ۰.۴ میکروکلوین مشاهده کردند. این در حالیست که هنوز نظریه ای که چنین دمایی را توجیه کند وجود ندارد.بیست و هشت تیر ۱۳۸۴ وجود ِ گردابه هایی در این ابرشاره ی جدید مشاهده شد. گردابه ها از خصوصیات ِ منحصر بفرد ِابرشارگی هستند و در آنها باید رؤیت شوندولفگانگ کِتِرل Wolfgang Ketterle و همکارانش در آزمایشگاهی در MIT انستیتو تکنولوژی ماساچوست) با لیزر اتمهای چاییده (chilled atoms)ابرشاره را نگه داشتند و گردابه ها بیرون زدندبطور کلی؛ رفتار کوانتونی بوزونها و فرمیون ها بسیار متفاوت است. در واقع گاز لیتیم-۶ دومین ابرشاره ی فرمیونی ای است که شناخته شده است. (اولینش مایع هلیون ۳ بود که خاصیت ِ ابرشارگی داشت.) در واقع ابررسانایی هم در واقع یک حالت ِ خاص ِ ابررسانایی ِ فرمیونی است. در این آزمایش اجزا اصلی ذرات ِ بی بار هستند. اما در ابررسانایی اجزا اصلی ذرات ِ باردار -الکترونها- هستند.گاز فوق سرد ِ لیتیم اولین «ابرشاره ی دمای بالا» است. اگر نرخ دمای بحرانی Tcکه در آن انتقال به ابرشاره ممکن می شود) به دمای فرمی Tf دمای ِ داغترین مولکول در گاز) را در نظر بگیریم؛ در ابررساناهای معمولی Tc/Tfحدود ِ ۴-^۱۰ است و برای ابرشاره ی هلیوم-۳ حدود ِ ۳-^۱۰ است. این نرخ برای ابررسانای دمای بالا ۲-^۱۰ و برای ابرشاره ی جدید لیتیم-۶ حدود ِ ۰.۳ است

منبع: اخبار فیزیک
گردآوری و ترجمه: محمد حسین انصاری