Шестое воплощение физической реальности

Создатели шестого агрегатного состояния материи – фермионного конденсата: Дебора Джин, Маркус Греинер и Синди Регал.
Фото с официального сайта Университета Колорадо

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) Университета Колорадо (США) сообщили новость, способную лишить сна и покоя любого человека со средним образованием: им удалось экспериментально получить новое, шестое агрегатное состояние вещества – фермионный конденсат (fermionic condensate). «Мы создали новую, необычную форму материи», – заявляет физик Дебора Джин из NIST, руководительница исследовательского коллектива. Впрочем, мировое научное сообщество всегда с осторожностью относится к новостям с претензией на сенсационность.

«Работа американских физиков, безусловно, интересная, – заявил в беседе с корреспондентом «НГ» академик Юрий Каган, специалист в области квантовой кинетики. – Однако реально это только начало. Мне представляется, что слова об открытии «нового агрегатного состояния вещества» или «новой формы материи» носят чисто рекламный характер и не имеют никакого отношения к делу».

═

Что же все-таки открыли в Колорадо?

Твердое тело, жидкость, газ – эти агрегатные состояния вещества для всех нас привычны. Чуть более экзотично, но, в общем, тоже уже почти обыденно в начале XXI века звучит для мирного обывателя название четвертого агрегатного состояния вещества – плазма: в целом электронейтральная смесь различных заряженных частиц (ионизированный газ)┘

«Современная физика предсказывает, что все окружающие нас частицы от элементарных до произвольно сложных принадлежат к одному из двух классов, – поясняет академик Каган. – В первом из них находятся все частицы с целочисленным спином. Их обобщенно называют бозе-частицами, или бозонами. Ансамбль таких частиц обладает уникальной особенностью, предсказанной Альбертом Эйнштейном 80 лет назад: при низкой температуре большинство частиц должно «сидеть» на одном энергетическом уровне. Это явление, называемое бозе-конденсацией, приводит к появлению удивительного свойства сверхтекучести, когда жидкость или газ текут, вообще не испытывая трения.

Ко второму классу относятся частицы с полуцелым спином, так называемые ферми-частицы, или фермионы. Для них характерно, что на каждом энергетическом уровне может находиться только одна частица. Как следствие, отсутствует и бозе-конденсация и сверхтекучесть. Однако если связать две ферми-частицы в пару, то такая пара будет обладать целочисленным спином и тем самым вести себя как бозе-частица. Так реально происходит, когда два атома связываются в молекулу».

К фермионам, например, относятся электрон, протон, нейтрон: их спин равен 1/2.

Бозе-эйнштейновский конденсат (его впервые получили в 1995 году), состоящий из тысяч частиц, которые занимают один квантовый уровень, по существу, ведет себя как один большой суператом.

Теперь вот очередь дошла до фермионов. Оказалось, что их тоже можно заставить проявить коллективное поведение, но совершенно особенного рода.

Чтобы получить фермионный конденсат, ученым понадобилось охладить газ, состоящий из атомов калия, до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля («минус» 273 градуса по Цельсию). Для этого пришлось изолировать это «атомарное калийное облако» в вакуумной камере, а затем применить к нему особые методы воздействия – магнитным полем и лазерным лучом. Магнитное поле как бы выстраивает фермионы в пары.

«Эта же экспериментальная группа из Университета Колорадо в прошлом году наблюдала бозе-конденсацию молекул, образованную двумя фермионными атомами, – поясняет Юрий Каган. – В газе фермионов при достаточно низкой температуре может формироваться совершенно другой вариант пар, в которых частицы движутся, сохраняя корреляцию между собой. Появление таких пар электронов в металле, получивших название куперовских пар, ответственно за возникновение сверхпроводимости или сверхтекучести электронной жидкости. Именно аналог такого явления и хотели обнаружить авторы в газе тяжелых ферми-атомов».

Так что вся эта ультрахолодная фермионная экзотика, которая гуляет парами, может пригодиться для вполне конкретных, земных приложений. Дебора Джин едва сдерживает свой энтузиазм: «Концентрация нашего фермионного конденсата может соответствовать сверхпроводнику при комнатной температуре. Это дает мне оптимизм заявить, что фундаментальная физика, которой мы занимаемся, возможно, поможет при создании новых сверхпроводящих материалов».

Другими словами, речь идет о получении высокотемпературных сверхпроводников – мечте энергетиков всего мира. Правда, произойдет это, по-видимому, не завтра и не послезавтра.

«В работе отсутствует прямое доказательство появления такого состояния, например, измерение сверхтекучести, – подчеркивает Юрий Каган. – Вместе с тем авторы демонстрируют, что при быстром изменении параметров появление молекул и их бозе-конденсация происходит с такой скоростью, которая может быть объяснена только наличием уже предвестников в форме компактных пар ферми-атомов. Это рассматривается как наличие состояния, подобного высокотемпературным сверхпроводникам».

«Фермионный конденсат, – замечает Дебора Джин, – представляет собой новую фазу, нечто промежуточное между сверхпроводниками и бозе-эйнштейновским конденсатом».

Нам же остается только добавить, что за работы по изучению бозе-эйнштейновского конденсата физики Эрик Корнелл и Карл Виеман получили Нобелевскую премию за 2001 год. Так что перспективы у Деборы Джин и ее коллег и в этом плане неплохие.