Prvi snimci fermionskih parova

Foto: Unsplash

Kad se vaš laptop ili pametni telefon zagreva, to je zbog energije izgubljene u translaciji. Isto važi za električne vodove koji prenose struju između gradova. U stvari, oko 10% generisane energije izgubljeno je u transmisiji elektriciteta. To je zato što elektroni koji nose električni naboj to čine kao slobodni agenti, udarajući i češući se o druge elektrone dok se kreću kroz strujne kablove i prenosne vodove. Ovo guranje stvara frikciju i na kraju toplotu.

Međutim, kad se elektroni upare, mogu se izdići iznad svađe i kliziti kroz materijal bez trenja. Ovo „superprovodno“ ponašanje dešava se u nizu materijala, mada na ekstremno hladnim temperaturama. Ako bi ovi materijali superprovodili s temperaturom koja je bliža sobnoj, mogli bi utrti put za uređaje sa nultim gubitkom, kao što su laptopovi i telefoni bez zagrevanja i ultraefikasni električni vodovi. Ali, naučnici će prvo morati da shvate kako se elektroni uparuju, piše EurekAlert.

Preporučujemo

Novi snimci čestica koje se uparuju u oblaku atoma mogu dati objašnjenje kako se elektroni uparuju u superprovodnom materijalu. Snimke su napravili fizičari iz Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) i to su prvi snimci koji direktno beleže uparivanje fermiona – velike klase čestica koja uključuje elektrone, kao i protone, neutrone i neke tipove atoma.

U ovom slučaju, tim iz MIT-a je radio sa fermionima u obliku kalijum-40 atoma i u uslovima koji simuliraju ponašanje elektrona u izvesnim superprovodnim materijalima. Razvili su tehniku snimanja superohlađenog oblaka kalijum-40 atoma, što im je omogućilo da posmatraju uparivanje čestica, čak i na nekoj maloj distanci. Takođe su mogli razabrati zanimljive obrasce i ponašanja, kao što je način na koji su parovi formirali obrasce šahovske table, koje su remetile usamljene čestice u prolazu.

Ove opservacije mogu poslužiti kao vizuelni prikaz kako se elektroni mogu upariti u superprovodnim materijalima. Rezultati bi takođe mogli doprineti opisivanju kako se neutroni uparuju radi formiranja vrlo guste i uzburkane supertečnosti unutar neutronskih zvezda.

„Uparivanje fermiona je osnova superprovodnosti i mnogih fenomena u nuklearnoj fizici“, kaže autor studije Martin Cvirlajn, profesor fizike u MIT-u.

Zadovoljavajući pogled

Direktna opservacija uparivanja elektrona je nemoguć zadatak. Oni su jednostavno previše mali i brzi da bi ih uhvatile postojeće tehnike snimanja. Da bi razumeli njihovo ponašanje, fizičari su se oslonili na slične sisteme atoma. I elektroni i neki atomi, uprkos razlici u veličini, slični su po tome što su fermioni – čestice sa osobinom poznatom kao „poluceo spin“. Kad su fermioni suprotnog spina u interakciji, oni mogu da se upare, poput elektrona u superprovodnicima i nekih atoma u oblaku gasa.

Cvirlajnova grupa proučava ponašanje kalijum-40 atoma, poznatih fermiona, koji se mogu staviti u jedno od dva spinska stanja. Kad atom kalijuma jednog spina dođe u interakciju sa atomom drugog spina, oni mogu da formiraju par, slično superprovodnim elektronima. Međutim, u normalnim uslovima sobne temeperature, atomska interakcija predstavlja zamagljenje koje je teško snimiti.

Da bi dobili zadovoljavajuću sliku njihovog ponašanja, Cvirlajn i njegove kolege izučavaju čestice kao veoma razređen gas od oko 1.000 atoma, stavljenih u ekstremno hladne, nanokelvinske uslove koji usporavaju atome do milenja. Istraživači takođe drže gas unutar optičke mreže ili rešetke laserskog svetla u koju atomi mogu da uskoče, i koju istraživači mogu da koriste kao mapu za utvrđivanje preciznih lokacija atoma.

U novoj studiji, tim je unapredio postojeću tehniku snimanja fermiona, što im je omogućilo da momentalno zamrznu atome na mestu, zatim naprave snimke posebno kalijum-40 atoma sa jednim određenim spinom ili drugim. Istraživači su onda mogli da stave snimak jednog tipa atoma preko drugog i vide gde su se dva tipa uparila i kako.

Ples parova

Ono što je tim video bilo je uparivanje između atoma koje je predvideo Habardov model – uveliko prihvaćena teorija za koju se veruje da je ključ za ponašanje elekrona u superprovodnicima visoke temeperature, materijalima koji ispoljavaju superprovodnost na relativno visokim (mada i dalje vrlo hladnim) temperaturama. Predviđanja kako se elektroni uparuju u ovim materijalima testitana su pomoću ovog modela, ali nikad direktno posmatrana do sada.

Tim je napravio i snimio različite oblake atoma hiljadama puta i preveo svaki snimak u digitalizovanu verziju sličnu rešetki. Svaka rešetka je pokazivala lokaciju atoma oba tipa (prikazana kao crveno naspram plavog u studiji). Na tim mapama su mogli da vide kvadrate u rešetki sa ili samim crvenim ili plavim atomom, i kvadrate gde su se i crveni i plavi atom uparili lokalno (prikazano kao belo), kao i prazne kvadrate koji nisu sadržali ni crveni ni plavi atom (crno).

Pojedinačni snimci već pokazuju mnoge lokalne parove, i crvene i plave atome u tesnoj blizini. Analizirajući skupove od stotinu slika, tim je mogao da pokaže da se atomi zaista pojavljuju u parovima, ponekad se povezujući u zbijen par unutar jednog kavadrata, a ponekad formirajući labavije parove, razdvojene sa jednim ili nekoliko razmaka rešetke. Ova fizička razdvojenost ili „nelokalno uparivanje“ bilo je predviđeno Habardovim modelom, ali nikad direktno viđeno.

Istraživači su takođe primetili da izgleda da kolekcije parova formiraju širi obrazac šahovske table i da je taj obrazac ulazio i izlazio iz formacije dok je jedan partner iz para odlazio izvan svog kvadrata i trenutno remetio šahovsku tablu drugih parova. Ovaj fenomen, poznat kao „polaron“, takođe je bio predviđen, ali nikad viđen direktno.

„U ovoj dinamičnoj supi, čestice stalno skaču jedna na drugu, udaljavajući se, ali nikad ne plešući previše daleko jedna od druge“, kaže Cvirlajn.

Ponašanje uparivanja među ovim atomima mora se takođe dešavati kod superprovodnih elektrona.

„Ako normalizujete naš gas od atoma do gustine elektrona u metalu, mislimo da bi ovo ponašanje uparivanja trebalo da se dešava znatno iznad sobne temeperature“, kaže Cvirlajn. „To daje mnogo nade i uverenosti da se takav fenomen uparivanja može u principu dešavati na povišenim temperaturama, i nema apriori ograničenja zašto jednog dana ne bi postojao superprovodnik sobne temeperature“.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)