Открыто новое состояние вещества

Американские ученые претендуют на лавры первооткрывателей нового состояния вещества. До сих пор было известно о существовании пяти состояний. Это привычные всем твердое, жидкое и газообразное состояние, а также плазма и конденсат Эйнштейна-Бозе. Как следует из заявления ученых, им удалось получить фермионный конденсат, или конденсат Ферми-Дирака.

Все известные на сегодня частицы можно разделить на две группы: частицы с целым спином, получившые название бозонов, и частицы с дробным спином, названных фермионами. Характерной чертой бозонов является возможность образовывать при сильном остывании так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. При этом бозоны формируют некое подобие одной гигантской молекулы, которая ведет себя как гигантский бозон. Удивительно то, что все частицы, входящие в образованный конденсат, находятся в одном квантовом состоянии, то есть ведут себя абсолютно одинаково.

Еще одним важным качеством конденсата Эйнштейна-Бозе является "легкость" его изучения: исследователям гораздо легче иметь дело с гигантским куском конденсата, ведущим себя как одна частица, чем с отдельной частицей.

И все бы было прекрасно, но вот только все известные нам атомы, являющиеся кирпичиками мироздания, являются фермионами. А они, согласно принципу Паули (одному из основополагающих в квантовой механике) и применительно к статистике Ферми-Дирака, не могут иметь одинаковые квантовые состояния, исключая возможность получения "чистого" фермионного конденсата. Как раз с этой проблемой и удалось справиться американским ученым из Национального института стандартов и технологий США и университета штата Колорадо под руководством Деборы Джин.

Ими была проведена аналогия между атомами вещества и электронами (также являющимися фермионами), которые могут объединяться в так называемые пары Купера, образующиеся при переходе некоторых металлов в состояние сверхпроводимости. При этом, если спин электрона равен 1/2, то спин двух электронов уже равен единице. То есть пара Купера из двух электронов может рассматриваться как бозон. Было принято решение провести подобное превращение и с обычными атомами.

Ученые поместили в вакуумную камеру 500 тысяч атомов калия и охладили их до одной пятидесятимиллиардной Кельвина. Затем они при помощи лазера и магнитного поля определенной мощности смогли заставить отдельные атомы калия объединяться в пары. Далее под воздействием магнитного поля образовавшиеся бозоны формировались в фермионный конденсат, подобный конденсату Эйнштейна-Бозе.

На рисунке: характеристики трех полученных фермионных конденсатов.
Левый рисунок соответствует конденсату, полученному при наименьшей
напряженности магнитного поля, а правый - при наибольшей.
Чем больше интенсивность магнитного поля, тем больше
образуемый пик. Красному цвету на рисунке соответствует большая
плотность размещения фермионных пар, а зеленому - наименьшая.

По словам ученых, совершивших открытие, изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом у атомов зафиксирована значительно большая удельная устойчивость к влиянию высоких температур. Исследование механизма сцепления у атомов производить гораздо легче, чем у электронов, поэтому у ученых появляется надежда разгадать его. Если это удастся, то не за горами появление сверхбыстрых и холодных процессоров, автомобилей на магнитной подушке, линий электропередач, у которых нет тепловых потерь, и имеются прочие, фантастические по сегодняшним меркам характеристики.

Компьюлента, 29 января 2004 года