Φυσική

Η κατάσταση αυτή παρατηρείται σε αντικείμενα τόσο διαφορετικά μεταξύ τους όπως είναι οι υπεραγωγοί, οι ατομικοί πυρήνες και οι αστέρες νετρονίων. Διάφορες ερευνητικές ομάδες αμιλλώνται για να την αναπαραγάγουν εργαστηριακά σε μικροσκοπικές ποσότητες υπέρψυχρου αερίου. Αν επιτύχουν, θα καταστήσουν εφικτή την πειραματική μελέτη διαδικασιών οι οποίες πρωτύτερα ενέπιπταν στην αποκλειστική αρμοδιότητα των θεωρητικών. Πρόκειται για μια υπερρευστή κατάσταση της ύλης, που προβλέπεται ότι εμφανίζεται όταν κβαντικά σωματίδια τα οποία κανονικά αποφεύγουν το ένα το άλλο σχηματίζουν ζεύγη και συμπεριφέρονται εν συνόλω σαν ένα και μοναδικό ρευστό σώμα.

Η υπερρευστή αυτή κατάσταση προκύπτει συνεπεία των ιδιοτήτων μιας ευρείας κλάσης κβαντικών σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια. Σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, όλα τα σωματίδια στη φύση διακρίνονται σε μποζόνια και φερμιόνια. Ο διακριτός χαρακτήρας αυτών των δύο κλάσεων αναδεικνύεται με τον καλύτερο τρόπο στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Τα μποζόνια, ως πιο «κοινωνικά», στριμώχνονται όλα σε μία και μοναδική κβαντική ενεργειακή κατάσταση, φαινόμενο που περιγράφεται με τον όρο συσσωμάτωμα Bose-Einstein. Αντίθετα, τα φερμιόνια ενεργούν ατομιστικά, ανεξάρτητα, ως μονάδες, και ποτέ τους δύο φερμιόνια δεν καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Με την πτώση της θερμοκρασίας, όλο και περισσότερα φερμιόνια καταλαμβάνουν τις καταστάσεις ελάχιστης ενέργειας, μόνο ένα όμως σε καθεμία (όπως συμβαίνει όταν συνωθείται κόσμος σε μια στενή σκάλα, οπότε στέκεται ένας άνθρωπος σε κάθε σκαλί). Η κατάσταση αυτή ―στην οποία οι περισσότερες από τις καταστάσεις ελάχιστης ενέργειας καταλαμβάνονται από ένα και μόνο ηλεκτρόνιο η καθεμιά― περιγράφεται ως εκφυλισμένο φερμιονικό αέριο.

Το 1999, οι Deborah S. Jin και Brian De-Marco, του Ινστιτούτου JILA στο Μπόουλντερ του Κολοράντο, παρήγαγαν το πρώτο εκφυλισμένο φερμιονικό αέριο ατόμων σε ένα μικροσκοπικό νέφος ατόμων καλίου που ήταν εγκλωβισμένο μέσα σε μια μαγνητική παγίδα. Η ιστορία, όμως, έχει και συνέχεια. Σε παρόμοια εκφυλισμένα συστήματα που εμφανίζονται στο υγρό ήλιο-3, καθώς και μεταξύ ηλεκτρονίων σε υπεραγωγούς, παρατηρείται κάτι καινοφανές ―μερικά από τα ηλεκτρόνια συγκροτούν ζεύγη, που λέγονται ζεύγη Cooper, μποζονικού χαρακτήρα, τα οποία εν συνεχεία σχηματίζουν μια υπερρευστή κατάσταση που προσομοιάζει αρκετά στο συσσωμάτωμα Bose-Einstein. Στην περίπτωση του ηλίου-3, η κατάσταση αυτή ευθύνεται για τις ιδιότητες υπερρευστότητας που επιδεικνύει το υγρό, ενώ στην περίπτωση των υπεραγωγών καθιστά δυνατή την άνευ αντιστάσεως ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.

Μπορεί, άραγε, μια τέτοια υπερρευστή εκφυλισμένη κατάσταση να παραχθεί στα φερμιονικά αέρια συστήματα; Η θεωρία προβλέπει πως τα ατομικά ζεύγη Cooper σχηματίζονται συνήθως σε θερμοκρασία κατά πολύ χαμηλότερη της απαιτούμενης για την εμφάνιση του φαινομένου του εκφυλισμού, μια θερμοκρασία που επί του παρόντος φαίνεται αδύνατο να επιτευχθεί πειραματικά. Πρόσφατα, όμως, προτάθηκε μια εναλλακτική μέθοδος που βασίζεται στο γεγονός ότι ο σχηματισμός ζευγών Cooper εξαρτάται όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων. Oπότε, αντί να ψύξουμε το αέριο περισσότερο, γιατί να μην ενισχύσουμε την εν λόγω αλληλεπίδραση; Συμπτωματικά, η φύση έχει προνοήσει για την ύπαρξη ενός τρόπου με τον οποίο μπορούμε να ρυθμίζουμε αυτή την αλληλεπίδραση ―εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο για να επιτύχουμε τον λεγόμενο συντονισμό Feshbach, ο οποίος προκαλεί μια ισχυρή ελκτική ή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων. (Στην περίπτωση των ζευγών Cooper, χρειαζόμαστε την ελκτική.)

Στο τέλος του 2002, μια ομάδα με επί κεφαλής τον John E. Thomas από το Πανεπιστήμιο Duke εφάρμοσε αυτές τις τεχνικές χρησιμοποιώντας άτομα λιθίου-6, και τα αποτελέσματά του παρείχαν ισχυρές ενδείξεις εμφάνισης υπερρευστότητας. Το παγιδευμένο αέριο σχημάτιζε έναν λεπτό κύλινδρο αλλά, όταν οι δέσμες που ευθύνονταν για τον εγκλωβισμό του έπαυαν να λειτουργούν, το αέριο διαστελλόταν ακτινικά αποκτώντας σχήμα δίσκου ―κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου σημειωνόταν ελάχιστη διαστολή. Μια ανισοτροπική διαστολή τέτοιου είδους είχε προβλεφθεί νωρίτερα, και τυχόν παρατήρησή της εθεωρείτο ότι θα αποτελούσε αδιάσειστο τεκμήριο υπερρευστότητας.

Όπως επισημαίνει η ομάδα του Πανεπιστημίου Duke, όμως, τέτοιου είδους ανισοτροπική διαστολή μπορεί να προκληθεί και από άλλα φαινόμενα. Πράγματι, πειράματα που διεξήχθησαν νωρίτερα φέτος από την ομάδα της Deborah Jin και από τον Christophe Salomon και τους συνεργάτες του στην École Normale Supérieure στο Παρίσι επέδειξαν παρόμοια ανισοτροπική διαστολή σε συνθήκες όμως που αποκλείουν την εκδήλωση υπερρευστότητας.

Είναι επιτακτική η ανεύρεση μιας τεχνικής άμεσης ανίχνευσης ζευγών Cooper ή του εν λόγω υπερρευστού. Η Jin καθώς και η ομάδα του Wolfgang Ketterle από το ΜΙΤ ανέφεραν πρόσφατα πως χρησιμοποίησαν ραδιοκύματα για να μελετήσουν τις ακριβείς καταστάσεις των ατόμων του παγιδευμένου εκφυλισμένου αερίου· αν υπήρχαν ζεύγη Cooper, η ενέργεια σύνδεσής τους θα διακρινόταν ξεκάθαρα. Καμία ομάδα δεν παρατήρησε ίχνη ζευγών Cooper, αλλά αμφότερες ανακάλυψαν χρήσιμες νέες λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο αλληλεπίδρασης των φερμιονικών ατόμων υπό συνθήκες παραπλήσιες με εκείνες όπου εμφανίζεται συντονισμός Feshbach.

Διάφορες ομάδες έχουν μελετήσει τελευταία το σχηματισμό μορίων που αποτελούνται από δύο χαλαρά συνδεόμενα άτομα αερίου. Τον φετινό Αύγουστο (2003), ο θεωρητικός Yvan Castin και οι συνεργάτες του στην École Normale Supérieure προέβλεψαν ότι τα μόρια θα μπορούσαν να μετατραπούν σε ζεύγη Cooper σε δύο βήματα: πρώτον, αφήνονται να συμπυκνωθούν κατά Bose-Εinstein και μετά ακολουθούν ρυθμίσεις ώστε να επιτευχθεί συντονισμός Fesh-bach.

Επιστημονικά Νέα - Δεκέμβριος, 2003