Новости науки 13.04.02. Ферми-газ и сверхтекучесть.

Цель, к которой стремятся в настоящее время многие исследовательские группы, - наблюдение сверхтекучести в вырожденном ферми-газе, что позволило бы изучать на примере такой"модельной системы" явление сверхпроводимости. Недавно вышедшие работы американских ученых показывают, что эта цель скоро может быть достигнута.

Достижение Бозе-конденсации атомов в магнито-оптических ловушках дает ученым уникальную возможность исследовать макроскопические системы, подчиняющиеся законам квантовой механики (о Бозе-конденсации см. наши новости от 18.10.01, 26.02.02 и ссылки в них). Одним из наиболее интересных физических явлений, связанных с Бозе-конденсацией, является сверхпроводимость. Хотя микроскопическая теория сверхпроводимости, хорошо описывающая традиционные низкотемпературные сверхпроводники, создана уже около пятидесяти лет назад, удовлетворительное теоретическое описание высокотемпературных сверхпроводников до сих пор отсутствует.

Сверхпроводимость обусловлена сверхтекучестью электронной жидкости, а сверхтекучесть связана с Бозе-конденсацией (хотя, строго говоря, идеальный бозе-газ не был бы сверхтекучим, необходимо взаимодействие между частицами). Хотя электроны являются фермионами, а не бозонами, тут нет противоречия - при наличии притяжения между электронами (о механизме сверхпроводимости см. в нашей новости) образуются электронные куперовские пары, которые являются бозонами, в результате чего и становится возможной сверхтекучесть электронной жидкости.

Для экспериментального исследования сверхтекучего состояния вырожденного ферми-газа удобны ⁶Li и ⁴⁰K, для которых существует возможность с помощью магнитного поля менять характер (и силу) взаимодействия между атомами. При наличии притяжения между атомами в охлажденном до сверхнизких температур газе могут образовываться двухатомные"молекулы", которые подобны куперовским парам в сверхпроводниках. Более того, меняя величину магнитного поля, можно переходить от режима слабо связанных пар (классическая модель Бардина, Купера и Шриффера (БКШ) ) к режиму сильно связанных пар. Причем критическая температура перехода в сверхтекучее состояние T_c для атомов лития или калия может достигать 0.5 T_F (T_F - температура Ферми - температура вырождения ферми-газа) [1], тогда как даже для высокотемпературных сверхпроводников она составляет всего лишь несколько процентов T_F.

Сверхтекучесть можно наблюдать для"смеси" атомов, находящихся в двух различных состояниях сверхтонкого расщепления. Поскольку требуемые пары состояний высоко чувствительны к магнитным полям, необходимо работать с чисто оптическими, а не магнито-оптическими ловушками. В работе ученых из Duke University [2] было успешно осуществлено охлаждение атомов ⁶Li в оптической ловушке. Предварительно охлажденный до 150 мкК в магнито-оптической ловушке газ был затем загружен в ловушку, созданную с помощью луча мощного CO₂ лазера, после чего давление в рабочем объеме было понижено до 10^-11 Торр. При помощи откачки удалось достичь температуры менее 4 мкК (рис.1), тогда как T_F для этой смеси составляет 8 мкК. В ловушке при этом находилось порядка 10⁵ атомов.

Рис.1. Измеренное распределение атомов по скорости при T/ T_F 0.5. На вставке - "фотография" газа в ловушке.

Однако недостаточно охладить газ до нужной температуры в оптической ловушке и приложить магнитное поле. Остается еще вопрос о том, как наблюдать сверхтекучесть ферми- газа: дело в том, что переход БКШ-типа не приводит к существенным изменениям плотности газа, как в случае образования"нормального" Бозе-конденсата. Конечно, уже имеются предложения, каким образом можно зафиксировать образование сверхтекучего состояния, но ни одно из них до недавнего времени не позволяло напрямую почувствовать квантовую когерентность, характеризующую состояние БКШ-типа. В работе теоретиков из университета Аризоны [3] предложен способ, с помощью которого можно сделать и это. Коротко говоря, в течении небольшого промежутка времени с помощью лазера в конденсате генерируются квазичастицы (подобно тому, как описано в новости от 26.02.02 ). В случае нормального (не сверхтекучего) состояния осцилляции плотности ферми-газа быстро затухают, в то время как в сверхтекучем состоянии остаются практически незатухающие осцилляции плотности.

Полученные результаты дают возможность надеяться, что в ближайшее время удастся получить и зафиксировать образование сверхтекучего состояния вырожденного ферми-газа.

1. M.Holland, S.J.J.M.F.Kokkelmans, M.L.Chiofalo, and R.Walser. Phys.Rev.Lett., v.87, 120406 (2001).
2. S.G.Granade, M.E.Gehm, K.M.O'Hara and J.E.Thomas. Phys.Rev.Lett., v.88, 120405 (2002).
3. S.P.Search, H.Pu, W.Zhang, and P.Meystre. Phys.Rev.Lett., v.88, 110401 (2002).

перейти к началу страницы