Ερευνητές από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών κατέδειξαν πειραματικά για πρώτη φορά την υπερρευστότητα αντίθετης ροής (CSF – Counterflow Superfluidity). Πρόκειται για μια εξωτική κβαντική κατάσταση όπου δύο συστατικά (για παράδειγμα, διαφορετικοί τύποι ατόμων ή σπιν) ρέουν προς αντίθετες κατευθύνσεις με τέλεια συσχέτιση. Παρά το γεγονός ότι και τα δύο συστατικά είναι υπερρευστά, το σύστημα στο σύνολό του παραμένει ακίνητο και ασυμπίεστο.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το CSF θα αποτελέσει σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη και προσομοίωση πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων σε υπερψυχρά περιβάλλοντα, ιδίως για τη διερεύνηση νέων κβαντικών φάσεων και φαινομένων που σχετίζονται με το σπιν.
Η υπερρευστότητα αντίθετης ροής (Counterflow Superfluidity) δεν είναι μια νέα έννοια, μιας και οι επιστήμονες γνωρίζουν για αυτή την κβαντική φάση εδώ και δύο δεκαετίες. Πρόκειται στην πραγματικότητα για μια επέκταση των ευρημάτων από το μοντέλο Bose-Hubbard, ένα θεωρητικό μοντέλο που προτάθηκε το 1963 για να εξηγήσει τη συμπεριφορά των μποζονίων σε ένα σύστημα πλέγματος. Ορισμένα άλλα μαθηματικά μοντέλα θεωρητικοποιούν επίσης την CSF, αλλά μέχρι τώρα οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να παρατηρήσουν αυτή τη φάση σε πειραματική διάταξη λόγω διαφόρων τεχνικών προκλήσεων.
«Η πειραματική υλοποίηση και ταυτοποίηση αυτής της φάσης έχει αποδειχθεί πρόκληση λόγω των αυστηρών απαιτήσεων για μια ενιαία διάταξη, συμπεριλαμβανομένης της προετοιμασίας καταστάσεων χωρίς ατέλειες, της ελάχιστης θέρμανσης κατά τη διάρκεια των συνεκτικών χειρισμών και της ανίχνευσης των φάσεων σε σπιν και θέση», εξηγούν οι συγγραφείς της μελέτης.
Για την επίτευξη της «κρυμμένης» φάσης της CSF, οι ερευνητές παρασκεύασαν ένα σύστημα δύο συστατικών χρησιμοποιώντας άτομα ρουβιδίου-87 με δύο διαφορετικές καταστάσεις σπιν. Στη συνέχεια, τα άτομα τοποθετήθηκαν σε ένα πλέγμα φωτός laser, το οποίο παγίδευσε τα άτομα σε συγκεκριμένες θέσεις.
Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός μονωτή σπιν Mott, ενός συναρπαστικού υλικού που, θεωρητικά, υποτίθεται ότι αγωγιμοποιεί τον ηλεκτρισμό, αλλά στην πραγματικότητα δεν το κάνει. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σπιν των σωματιδίων του τα προκαλούν να εντοπίζονται, εμποδίζοντας τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα.
Ρυθμίζοντας την αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων σε αυτό το σύστημα σε θερμοκρασία ενός νανοκελβίν (-273,15°C), οι ερευνητές μετατοπίστηκαν από μια «παγωμένη» κατάσταση (μονωτής σπιν-Mott) σε μια κατάσταση όπου οι δύο τύποι ατόμων ρέουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, παραμένοντας ταυτόχρονα απόλυτα ισορροπημένοι, αποδεικνύοντας την υπερρευστότητα αντίθετης ροής.
Για να επιβεβαιώσουν αν το σύστημα έχει εισέλθει πραγματικά στη φάση της CSF, οι συγγραφείς της μελέτης χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο κβαντικού αερίου, ένα εξαιρετικά προηγμένο εργαλείο απεικόνισης που επιτρέπει στους επιστήμονες να βλέπουν μεμονωμένα άτομα μέσα σε ένα πλέγμα. Μέτρησαν τις συσχετίσεις μεταξύ των διαφορετικών θέσεων (και των σπιν) των ατόμων και διαπίστωσαν συσχετίσεις αντι-ζεύγους, δηλαδή την ύπαρξη ατόμων σε αντίθετες καταστάσεις.
«Οι συσχετίσεις αντι-ζεύγους, το χαρακτηριστικό γνώρισμα του CSF, επιβεβαιώθηκαν από τις μετρήσεις τόσο στον πραγματικό χώρο όσο και στον χώρο ορμής κάτω από ένα μικροσκόπιο κβαντικού αερίου», σημειώνουν οι συγγραφείς της μελέτης.
Η παρατήρηση αυτή επιβεβαίωσε ότι όταν ένα άτομο κινείται προς μια κατεύθυνση, ένα άλλο άτομο στην αντίθετη κατάσταση σπιν κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επιπλέον, οι ερευνητές παρατήρησαν συσχετίσεις μεγάλης εμβέλειας στις καταστάσεις σπιν, με το σύστημα να διατηρεί συνοχή σε ολόκληρο το πλέγμα – ένας άλλος ισχυρός δείκτης της φάσης CSF.
Η ανακάλυψη της υπερρευστότητας το 1930 οδήγησε στην ανάπτυξη πολλών συναρπαστικών τεχνολογιών χαμηλού ψύχους, όπως η ψύξη με laser. Ευελπιστούμε ότι η CSF θα ανοίξει επίσης το δρόμο για πολλές πρωτοποριακές κβαντικές εφαρμογές.
*Η κεντρική εικόνα δημιουργήθηκε από το Grok AI του X για λογαριασμό του Techgear.gr
[via]
