Atomy pod obserwacją

Gdyby zamknąć gaz w butelce i spróbować obserwować jego atomy przy użyciu dzisiejszych najpotężniejszych mikroskopów, zobaczymy rozmyty i ciemny obraz: W zwykłych temperaturach atomy pędzą bowiem z prędkościami błyskawicy i przez to są razej trudne do zaobserwowania.

Fizycy z MIT ochłodzili zatem gaz atomów potasu do kilku nanokelwinów – nieco powyżej zera absolutnego, i uwięzili atomy w dwuwymiarowej sieci optycznej stworzonej przez przecinających się promieni laserów. Przy użyciu mikroskopu wysokiej rozdzielczości naukowcy sfotografowali te schłodzone atomy setki razy. Mając tak dużą ilosć zdjęć zdołali następnie zmierzyć korelacje pomiędzy pozycjami atomów i obserwować odziaływania między pojedynczymi atomami. W zależności od ich położenia w sieci, niektóre atomy wykazywały zachowania antyspołeczne i trzymały się z dala od siebie, a niektóre skupiały się układając się na przemian zdodnie kierunkami swoich pól magnetycznych.

Zespół badaczy uważa, że obserwacja tych korelacji przestrzennych mogą być pomocne przy wyjaśnianiu zjawiska nadprzewodnictwa. Nadprzewodniki to niezwykłe materiały, w których elektrony przemieszczają się bez tarcia, co oznacza, że ich energia nie jest tracona podczas ruchu. Jeśli nadprzewodniki mogłyby istnieć w temperaturze pokojowej, miałyby mnóstwo zastosowań niemal w każdym urządzeniu, którego działanie opiera się na energii elektrycznej.

Martin Zwierlein, profesor fizyki z MIT twierdzi, że obserwacje atomów mogą przyczynić się do zrozumienia, co tak naprawdę dzieje się w tych nadprzewodników, i co należy zrobić, aby uzyskać nadprzewodnictwo w wyższych temperaturach.
„Atomy jako stand-in dla elektronów”

Dziś jest jeszcze niemożliwe modelowanie zachowania nadprzewodników wysokotemperaturowych, nawet przy użyciu najpotężniejszych komputerów na świecie. Okazuje się jednak, że opisywana tu sieć atomów jest czymś w rodzaju symulatora kwantowego, Zwierlein i jego zespół starał zamiast zaprojektować „symulator kwantową”, używając atomów w gazie jako przystanki dla elektronów w nadprzewodzących sieciach krystalicznych.

W roku 1925 austriacki fizyk Wolfgang Pauli sformułował prawo, które stanowi, że żadne dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego (np. nie mogą mieć tego samego spinu i położenia w tym samym czasie). Prawo to jest nazwywane zakazem Pauliego. Pauli postulował również istnienie sfery wokół elektronu, która stanowi jego pewną „osobistą” przestrzeń, znaną jako „dziurę Pauliego”.

Teoria ta pozwoliła wyjaśnić układ okresowy pierwiastków, gdzie różne konfiguracje elektronów oznaczają różne pierwiastki.
Włoski fizyk Enrico Fermiego zdał sobie szybko sprawę z faktu, że ta sama zasada może być stosowana nie tylko do elektronów, ale również do atomów w gazie. Na przykład to, w jaki sposób atomy odziałują wzajemnie tworząc jakąś konfigurację przestrzenną, determinuje taką własność jak ściśliwość gazu.

Brytyjski fizyki John Hubbard włączył zasadę Pauliego do teorii, która jest obecnie znana jako model Fermiego-Hubbarda, będącą najprostszym modelem interakcji atomów, skaczących w poprzek siatki. Obecnie model ten jest w stanie wyjaśnić podstawy nadprzewodnictwa. Niestety teoretycy nie potrafą generalnie wykorzystać tego modelu do określenia zachowania nadprzewodzących elektronów. Są w stanie to zrobić tylko w sytuacjach za pomocą obliczeń numerycznych wtedy, gdy elektrony słabo ze sobą oddziałują. To jest właśnie powód, dla którego ciągle nie rozumiemy nadprzewodników wysokotemperaturowych, w których elektrony oddziałują bardzo silnie.

Uczeni po kierunkiem Martina Zwierleina zauważyli, że na brzegach stworzonej przez nich sieci, gaz jest rzadszy a atomy rzeczywicie są otoczone przez pustą przestrzeń, w któej nie ma sąsiadów. Wewnątrz, gdzie atomy są silnie ściśnięte ich momenty magnetyczne ustawiają się naprzemienne: raz w górę, raz w dół – podobnie jak pola na szachownicy. Zauważono, że dość często dochodzi do przeskoku jednego atomu na górę drugieg, tak że tworzy się para atomów obok pustego miejsca w sieci. Podobne zjawisko zachodzi w nadprzewodnikach, tyle tylko, że zamiast par atomów tworzą się pary elektronów, które w wyniku mogą przemieszczać sie bez tarcia tylko dzięki rezonansowi z drgającą siecią krystaliczną.
Opisywana sieć atomów potasu jest czymś w rodzaju symulatora nadprzewodnika a jej obserwacje pomoże ustalenić warunki konieczene do powstania nadprzewodnictwa w wyzsżych temperaturach.
.

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz