|
|
|
Superfluiditatea din nou in atentia cercetatorilor
Dupa 40 de ani de speculatii, in sfarsit, dovada!
Cum ar fi daca
curentul ar circula prin fire fara nici o rezistenta si lichidele si-ar pierde
vascozitatea si ar incepe sa se urce de la sine pe peretii vaselor? Exact asta
se intimpla la temperaturi apropiate de zero grade absolut!
Pentru a intelege fenomenul superfluiditatii si pe cel al
superconductibilitatii, care de fapt sunt unul si acelasi fenomen, este nevoie
sa cunoasteti doua lucruri:
Pe de o parte, faptul ca intreaga lume este formata din doua tipuri diferite de
particule. Primul tip de particule, numite fermioni, sunt acele particule care
nu pot sta unele peste altele. De pilda, daca incercati sa puneti doi electroni
(electronul este un caz particular de fermion) unul peste celalalt, ei se
resping. Al doilea tip de particule, numite bozoni, dimpotriva, adora sa stea
unele peste celelalte si au tendinta ca mai degraba sa se suprapuna decat sa se
respinga.
Asa se intampla cu fotonii, particulele de lumina.
Al doilea lucru pe care trebuie sa-l cunoasteti este poate cel mai bizar lucru
din mecanica cuantica: faptul ca lumea noastra este numai aparent
tridimensionala, in realitate ea este formata din doua lumi tridimensionale pe
care noi le vedem suprapuse una peste cealalta. O particula elementara (de
pilda un electron), atunci cand se roteste in jurul axei sale, trece dintr-o
parte a lumii in cealalta, ca si cum ar urca pe o spirala, iar daca se roteste
mai departe, ajunge din nou in lumea de unde a plecat, ca si cum spirala ar
cobori inapoi. Daca dumneavoastra va rotiti stand pe loc, dupa ce v-ati rotit
360 de grade ati ajuns sa va uitati in aceeasi directia ca la inceput. Daca
insa ati fi un electron si v-ati roti cu 360 de grade, de-abia ati ajunge sa va
uitati in directia opusa decat va uitati initial (ati urcat pe spirala); pentru
a ajunge sa va uitati in directia initiala, va trebui sa va mai rotiti cu inca
360 de grade. Bizar!
Ideea acum este ca doi fermioni pot sta aparent in acelasi loc in spatiu daca
unul sta pe partea de sus a spiralei, iar celalalt pe partea de jos a spiralei.
Proprietatea care spune unde anume e fermionul, sus sau jos, se numeste "spin"
(din cauza ca fermionul ajunge sus sau jos rotindu-se in jurul axei sale).
Bozonii ocupa ambele pozitii pe spirala, ei nu stau sus sau jos, ci ocupa
ambele pozitii.
Poanta acum este urmatoarea: doi fermioni, unul stand pe partea de sus a
spiralei (avand spinul in sus), iar celalalt stand pe partea de jos a spiralei
(avand spinul in jos) sunt ca o singura particula - iar acesta particula este
un bozon!
Cu alte cuvinte, doua particule care urasc sa stea una peste cealalta pot forma
o grupare de doua particule, care iubeste sa stea peste alte grupari asemeni
ei! Atat de bizara este lumea particulelor elementare.
Rezistenta electrica sau vascozitatea sunt cauzate de proprietatile
fermionilor, de faptul ca acestia nu trec unii prin altii - prin urmare
electronii din fire se ciocnesc de reteaua cristalina a metalului, iar
particulele unui lichid se ciocnesc unele de celelalte, consecinta fiind
frecarea interna in lichid.
Superconductivitatea apare atunci cand electronii stau in grupuri de doi si
deci trec unii prin altii, iar superfluiditatea (observata de pilda la heliul
lichid) apare cand particulele neutre electric se combina, formand un mare
bozon si trec astfel unele prin celelalte. Astfel poate deci disparea
rezistenta electrica sau vascozitatea.
Problema acum in a obtine asemenea grupari de fermioni, care grupari luate ca
un tot sa fie un bozon, este ca fermionii nu stau acolo in locul lor pe spirala
(unul sus si unul jos), ci ei in mod normal se agita intr-una in nestire.
Aceasta agitatie se numeste caldura - ceva este cu atat mai cald cu cat
particulele din care este facut se agita mai tare. (De aceea, de pilda, cand
incalzim un lichid el incepe sa fiarba - particulele sale ajung sa se agite
atat de tare incat ies afara din lichid.)
Pentru a face deci ca fermionii sa nu se mai agite, sa ramana la locul lor pe
spirala, trebuie sa-i racim la temperaturi extrem de joase. Temperatura de zero
grade absolut este temperatura la care nu mai exista nici o agitatie. Pentru a
obtine superfluiditatea sau superconductibilitatea nu este necesar sa mergem
chiar pana la zero grade absolut insa trebuie sa racim lucrurile destul de
serios.
Desigur, nu este prima oara cand se observa superfluide sau fenomenul
superconductibilitatii.
Ceea ce s-a reusit insa acum sa se observe, lucru despre care fizicienii au tot
speculat de decenii, este o superfluiditate in care un numar foarte mare de
fermioni, si anume 10% dintre ei, nu erau in starea de cuplare unii cu altii.
Pana recent, cercetatorii nu puteau sa observe ce s-ar intampla daca ar exista
in amestec si asemenea fermioni liberi, pentru simplul motiv ca tehnicile
disponibile nu le permiteau sa controleze prea precis conditiile experimentale.
In ultimii zece ani insa, tehnicile de obtinere a temperaturilor extrem de
joase s-au dezvoltat foarte mult.
Acest lucru i-a permis echipei lui Randy Hulet de la universitatea Rice, un
specialist in obtinerea temperaturilor extrem de joase, sa desfasoare un
experiment mult mai precis. Ei s-au apropiat la 30 de miliardimi de grad de
zero grade absolut (!!!) racind astfel un amestec de atomi de litiu-6 (care
sunt fermioni). In acest fel, au obtinut un superfluid. Apoi, ei au trecut
ultrasunete (care sunt niste vibratii extrem de rapide) prin ultrafluid.
Efectul ultrasunetelor este ca scot pe unii fermioni din locurile lor, creand
astfel fermioni liberi in amestec. Crescand nivelul ultrasunetelor se obtin tot
mai multi asemenea fermioni liberi. Ceea ce echipa lui Hulet a constatat este
ca poate sa elibereze pana la 10% dintre fermioni si starea de superfluid se
pastreaza, de-abia dupa acest nivel vascozitatea isi face aparitia, confirmand
deci speculatiile care sustineau ca nu este necesar ca toti fermionii sa fie
cuplati pentru a avea un superfluid.
