Новое состояние материи?
("В мире науки", ? 1, 2004)
Вырожденный Ферми-газ встречается в самых разных физических объектах: в сверхпроводниках, нейтронных звездах и кварко-глюонной плазме.
В сверхпроводниках образуется вырожденный электронный газ; электроны образуют слабосвязанные куперовские пары, обусловливающие сверхпроводимость. Возможно, подобные процессы протекают и в высокотемпературных сверхпроводниках, однако процесс формирования сверхпроводимости в них по-прежнему остается загадкой.
Запрет, согласно которому два нейтрона, будучи фермионами, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, приводит к отталкиванию, которое не дает нейтронным звездам коллапсировать под действием своей огромной массы, Такое же отталкивание препятствует сжатию вырожденных Ферми-газов в лабораторных условиях.
Созданное на коллайдере тяжелых релятивистских ионов в Брукхевенской национальной лаборатории взрывоподобное облако из свободных кварков (которые являются фермионами) и глюонов обладало теми же свойствами, что и высвобожденный из ловушки атомный Ферми-газ.
Сверхтекучее состояние, в которое переходит материя, когда квантовые частицы, сторонящиеся друг друга при обычных условиях, объединяются в пары и ведут себя как единая жидкость, наблюдается в различных объектах: в сверхпроводниках, ядрах атомов и нейтронных звездах. Сейчас ученые пытаются экспериментально воссоздать похожие условия в микроскопических аустках ультрахолодного газа и опытным путем изучит, процессы, ранее доступные только теоретикам.
Сверхтекучесть свойственна фермионам. Согласно квантовой механике, все частицы в природе делятся на бозоны и фермионы, различия между которыми наиболее явственно проявляются при очень низких температурах. Так, бозоны собираются вместе в одно-единственное квантовое состояние, формируя конденсат Бозе-Эйнштейна. Фермионы же, наоборот, ведут себя как индивидуалисты: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. При уменьшении температуры фермионы последовательно занимают низшие энергетические уровни, по одной частице на каждом, словно люди, выстроившиеся на узком лестничном пролете. Такое квантовое состояние называется вырожденным Ферми-газом.
В 1999 г. Deborah S. Jin и Brian De-Marco впервые получили вырожденный атомный Ферми-газ в крохотном облаке атомов калия, находившихся в магнитной ловушке. Но это лишь верхушка айсберга. В подобных вырожденных системах (например, в жидком гелии (3 He) и в электронном газе в сверхпроводниках) некоторые фермионы образуют так называемые куперовские пары, которые, будучи бозонными, пребывают в сверхтекучем состоянии, схожем с конденсатом Бозе-Эйнштейна. В жидком гелии 3 He это приводит к сверхтекучести, а в сверхпроводниках - к отсутствию электрического сопротивления.
Может ли быть получено сверхтекучее вырожденное состояние в газообразных фермионных системах? Согласно теории, атомарные куперовские пары образуются только при температурах гораздо ниже температуры вырождения, которые экспериментально недостижимы. Однако формирование куперовских пар зависит не только от температуры, но и от взаимодействия между атомами. Вместо того чтобы охлаждать газ, почему бы не усилить взаимодействие? С помощью магнитного поля нужной амплитуды можно создать так называемый резонанс Фешбаха, который приводит к возникновению сильного отталкивания или притяжения (необходимого для образования куперовских пар) между атомами.
В конце 2002 г. группа под руководством John E. Thomas заключила газообразный литий 6 Li в магнитную ловушку. При отключении поля цилиндрический сгусток газа радиально расширялся, приобретая форму диска. Ультрахолодный газ 6 Li, сжатый магнитным полем в тонкое цилиндрическое облако, свободно расширяется в радиальном направлении. Такое анизотропное поведение может быть признаком сверхтекучего состояния.
Вместе с тем в экспериментах, проведенных Deborah S. Jin и Christophe Solomon, было продемонстрировано похожее анизотропное расширение газа в условиях, исключающих сверхтекучесть.
Таким образом, необходимо найти способ непосредственного наблюдения за куперовскими парами и сверхтекучестью. Jin и Wolfgang Ketterle пытаются использовать радиоволны для изучения состояния атомов находящегося в ловушке вырожденного газа: если в нем присутствуют куперовские пары, то энергия их связи должна отчетливо проявиться. Исследователям пока не удалось зарегистрировать признаки появления куперовских пар, однако были обнаружены новые нюансы взаимодействия между атомами-фермионами вблизи резонанса Фешбаха.
Недавно несколько научно-исследовательских групп изучили формирование в газе слабосвязанных двухатомных молекул. В августе Yvan Castin предсказал, что молекулярные куперовские пары могут быть образованы в два этапа: сначала нужно получить Бозе-Эйнштейновский конденсат из молекул, а затем добиться резонанса Фешбаха. Возможно, ученые в двух шагах от величайшего открытия.
