Ein rotierendes suprafluides Gas aus Fermionen, das von Wirbeln durchbohrt wird. Bildnachweis: MIT. Klicken um zu vergrößern.
MIT-Wissenschaftler haben einem hitzigen Rennen unter Physikern ein supercooles Ende bereitet: Sie haben als erste eine neue Art von Materie geschaffen, ein Gas aus Atomen, das Hochtemperatur-Suprafluidität zeigt.
Ihre Arbeit, über die in der Nature-Ausgabe vom 23. Juni berichtet wird, ist eng mit der Supraleitfähigkeit von Elektronen in Metallen verbunden. Beobachtungen von Suprafluiden könnten dazu beitragen, noch bestehende Fragen zur Hochtemperatur-Supraleitung zu lösen, die weit verbreitete Anwendungen für Magnete, Sensoren und den energieeffizienten Transport von Elektrizität hat, sagte Wolfgang Ketterle, Nobelpreisträger und Leiter der MIT-Gruppe und John D. MacArthur Professor für Physik.
Das suprafluide Gas so klar zu sehen, ist ein so dramatischer Schritt, dass Dan Kleppner, Direktor des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, sagte: „Dies ist keine rauchende Waffe für Suprafluidität. Das ist eine Kanone.“
Seit mehreren Jahren untersuchen Forschungsgruppen auf der ganzen Welt kalte Gase sogenannter fermionischer Atome mit dem ultimativen Ziel, neue Formen der Suprafluidität zu finden. Ein suprafluides Gas kann ohne Widerstand strömen. Durch Rotation ist es deutlich von einem normalen Gas zu unterscheiden. Ein normales Gas rotiert wie ein gewöhnliches Objekt, aber ein Suprafluid kann sich nur drehen, wenn es Wirbel ähnlich wie Mini-Tornados bildet. Dies verleiht einer rotierenden Supraflüssigkeit das Aussehen von Schweizer Käse, wobei die Löcher die Kerne der Mini-Tornados sind. „Als wir das erste Bild der Wirbel auf dem Computerbildschirm sahen, war es einfach atemberaubend“, erinnert sich Doktorand Martin Zwierlein an den Abend des 13. April, als das Team zum ersten Mal das supraflüssige Gas sah. Fast ein Jahr lang hatte das Team daran gearbeitet, Magnetfelder und Laserstrahlen sehr rund zu machen, um das Gas in Rotation zu versetzen. „Es war, als würde man die Unebenheiten von einem Rad abschleifen, um es perfekt rund zu machen“, erklärt Zwierlein.
„In Supraflüssigkeiten wie auch in Supraleitern bewegen sich Teilchen im Gleichschritt. Sie bilden eine große quantenmechanische Welle“, erklärt Ketterle. Eine solche Bewegung ermöglicht es Supraleitern, elektrische Ströme ohne Widerstand zu übertragen.
Das MIT-Team konnte diese suprafluiden Wirbel bei extrem kalten Temperaturen beobachten, als das fermionische Gas auf etwa 50 Milliardstel Grad Kelvin abgekühlt wurde, sehr nahe am absoluten Nullpunkt (-273 Grad C oder -459 Grad F). 'Es mag seltsam klingen, Suprafluidität bei 50 Nanokelvin Hochtemperatur-Suprafluidität zu nennen, aber was zählt, ist die Temperatur, die durch die Dichte der Partikel normalisiert wird', sagte Ketterle. „Wir haben jetzt die mit Abstand höchste Temperatur aller Zeiten erreicht.“ Auf die Elektronendichte in einem Metall hochskaliert, wäre die Suprafluid-Übergangstemperatur in atomaren Gasen höher als die Raumtemperatur.
Die Teammitglieder von Ketterle waren die MIT-Absolventen Zwierlein, Andre Schirotzek und Christian Schunck, die alle Mitglieder des Center for Ultracold Atoms sind, sowie der ehemalige Doktorand Jamil Abo-Shaeer.
Das Team beobachtete fermionische Suprafluidität im Lithium-6-Isotop, das aus drei Protonen, drei Neutronen und drei Elektronen besteht. Da die Gesamtzahl der Bestandteile ungerade ist, ist Lithium-6 ein Fermion. Mit Laser- und Verdunstungskühltechniken kühlten sie das Gas nahe an den absoluten Nullpunkt. Dann fingen sie das Gas im Fokus eines Infrarot-Laserstrahls ein; die elektrischen und magnetischen Felder des Infrarotlichts hielten die Atome an Ort und Stelle. Der letzte Schritt bestand darin, einen grünen Laserstrahl um das Gas zu drehen, um es in Rotation zu versetzen. Ein Schattenbild der Wolke zeigte ihr suprafluides Verhalten: Die Wolke wurde von einer regelmäßigen Anordnung von Wirbeln durchbohrt, die alle etwa gleich groß waren.
Die Arbeit basiert auf der früheren Schaffung von Bose-Einstein-Kondensaten durch die MIT-Gruppe, einer Materieform, in der Partikel kondensieren und als eine große Welle wirken. Albert Einstein sagte dieses Phänomen 1925 voraus. Später erkannten Wissenschaftler, dass Bose-Einstein-Kondensation und Suprafluidität eng miteinander verbunden sind.
Die Bose-Einstein-Kondensation von Fermionenpaaren, die lose als Moleküle miteinander verbunden waren, wurde im November 2003 von unabhängigen Teams an der University of Colorado in Boulder, der Universität Innsbruck in Österreich und am MIT beobachtet. Die Beobachtung der Bose-Einstein-Kondensation ist jedoch nicht dasselbe wie die Beobachtung der Suprafluidität. Weitere Studien wurden von diesen Gruppen und an der Ecole Normale Superieure in Paris, der Duke University und der Rice University durchgeführt, aber die Beweise für die Suprafluidität waren mehrdeutig oder indirekt.
Das am MIT erzeugte suprafluide Fermi-Gas kann auch als leicht kontrollierbares Modellsystem dienen, um die Eigenschaften viel dichterer Formen fermionischer Materie wie fester Supraleiter, Neutronensterne oder des Quark-Gluon-Plasmas, das im frühen Universum existierte, zu untersuchen.
Die MIT-Forschung wurde von der National Science Foundation, dem Office of Naval Research, der NASA und dem Army Research Office unterstützt.
Originalquelle: MIT-Pressemitteilung
