Ο David Lee και το νόμπελ Φυσικής του 1996 για την υπερρευστότητα του ηλίου-3

leeΟ Αμερικανός φυσικός David Lee, που γεννήθηκε στις 20 Ιανουαρίου 1931, κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής του 1996 μαζί με τον Robert Richardson και τον Douglas Osheroff. Τιμήθηκε για την από κοινού ανακάλυψή τους το 1972 της υπερρευστότητας στο σπάνιο ισότοπο του ηλίου-3.  Δουλεύοντας στο εργαστήριο χαμηλών θερμοκρασιών στο Πανεπιστήμιο Cornell, έφτιαξαν μόνοι τους συσκευές κατάλληλες για να μειώσουν τη θερμοκρασία σε, περίπου, 0.002K. Η θερμοκρασία αυτή ήταν σημαντικά χαμηλότερη από την θερμοκρασία 2 Kelvin, στην οποία το κοινό ισότοπο ήλιο-4 γίνεται υπερρευστό, όπως παρατηρήθηκε από τον Pjotr Kapitsa στα τέλη του 1930.

Αλλά το He-3 έπρεπε να μειωθεί σε μια θερμοκρασία σχεδόν κοντά στο απόλυτο μηδέν πριν γίνει υπερρευστό, και έτσι ήταν ικανό να ρέει χωρίς καμιά αντίσταση. Μάλιστα μπορούσε να ανέβει στα πλαϊνά τοιχώματα των δοχείων που βρίσκεται και να ρέει προς τα έξω. Τα άτομα είχαν κινηθεί μέχρι εκείνο το σημείο με τυχαίες ταχύτητες και κατευθύνσεις. Αλλά ως υπερρευστό, τα άτομα στη συνέχεια μπορούσαν να προχωρήσουν με ένα συντονισμένο τρόπο.

Μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική χαμηλών θερμοκρασιών

Το υγρό 3He έχει πρόσθετες, μοναδικές ιδιότητες γιατί κάθε τέτοιος πυρήνας He, έχει ένα μη-μηδενικό spin σε αντίθεση με το 4He. Έτσι, λόγω αυτής της τιμής είναι ένα φερμιονικό σωματίδιο, και δεν ακολουθεί την κατανομή Bose-Einstein, με την οποία τα σωμάτια συμπεριφέρονται σαν μποζόνια. Όμως, όπως στην υπεραγωγιμότητα ζεύγη σωματιδίων με spin 1/2 μπορούν να σχηματίσουν "ημι-μποζόνια" που μπορούν να συμπυκνωθούν προς μια υπέρρευστη φάση. Η υπερρευστότητα στο 3He, του οποίου η θερμοκρασία μετάβασης μειώνεται κατά ένα παράγοντα χίλια αν συγκριθεί με τη θερμοκρασία μετάβασης του 4He, ανακαλύφθηκε από τους τρεις προαναφερθέντες Νομπελίστες. Παρατήρησαν, μάλιστα, τρεις διαφορετικές υπερρευστές φάσεις, δείχνοντας σύνθετες στροβιλώδεις δομές και ενδιαφέρουσα κβαντική συμπεριφορά.

Όταν οι θερμοκρασίας πέφτουν οι υδρατμοί γίνονται νερό και το νερό γίνεται πάγος. Αυτές οι μεταβάσεις φάσης και οι αλλαγές καταστάσεως της ύλης μπορούν να περιγραφούν κατά προσέγγιση και να γίνουν κατανοητές με κλασσική φυσική. Αυτό που συμβαίνει όποτε οι θερμοκρασίας πέφτουν είναι ότι οι τυχαίες θερμικές κινήσεις στα αέρια, τα υγρά και τα στερεά σώματα σταματούν.

Αλλά η κατάσταση γίνεται εντελώς διαφορετική όταν η θερμοκρασία πλησιάζει στο απόλυτο μηδέν, στους -273.15° C. Σε δείγματα του υγρού ηλίου εμφανίζεται η υπερρευστότητα, ένα φαινόμενο που δεν μπορεί να γίνει κατανοητό από την σκοπιά της κλασσικής φυσικής. Όταν ένα υγρό γίνεται υπερρευστό τα άτομά του χάνουν ξαφνικά όλη την τυχαία τους κίνηση και κινούνται τότε με έναν συντονισμένο τρόπο. Αυτό αναγκάζει το υγρό να στερηθεί όλη την εσωτερική τριβή. Μπορεί τότε να περάσει μέσα από πολύ μικρές τρύπες και να έχει ιδιότητες που δεν ανήκουν στην κλασσική φυσική.  Το υπερρευστό ήλιο για παράδειγμα δεν μπορεί να συγκρατηθεί σε ένα ανοικτό δοχείο γιατί τότε το υγρό "έρπεται" σαν ένα λεπτό φιλμ προς τα πάνω και χύνεται έξω από το δοχείο.

Η θεμελιώδης κατανόηση των ιδιοτήτων ενός τέτοιου υγρού απαιτεί μια προηγμένη μορφή κβαντικής φυσικής, και γι’ αυτό αυτά τα πολύ ψυχρά υγρά καλούνται κβαντικά υγρά. Μελετώντας λεπτομερώς τις ιδιότητες των κβαντικών υγρών και συγκρίνοντας αυτές με τις προβλέψεις της κβαντικής φυσικής χαμηλών θερμοκρασιών, μπορούν οι ερευνητές να περιγράψουν την ύλη στο μικροσκοπικό επίπεδο.

Οι Lee,  Osheroff και Richardson ανακάλυψαν στην αρχή της δεκαετίας του ’70, στο εργαστήριο χαμηλών θερμοκρασιών στο Πανεπιστήμιο του Cornell, ότι το ισότοπο ήλιο-3 μπορεί να γίνει υπερρευστό σε μια θερμοκρασία περίπου δύο χιλιοστά μόνο του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτό το υπερρευστό κβαντικό υγρό διαφέρει πολύ από αυτό που ανακαλύφθηκε ήδη στη δεκαετία του ’30 και που μελετήθηκε σε θερμοκρασία περίπου δύο βαθμούς (δηλαδή χίλιες φορές) υψηλότερη θερμοκρασία στο κανονικό ισότοπο του ηλίουο-4. Το νέο κβαντικό υγρό ήλιο-3 έχει πολύ ειδικά χαρακτηριστικά. Ένα πράγμα που αποδεικνύεται από αυτό είναι ότι οι κβαντικοί νόμοι της μικροφυσικής μερικές φορές άμεσα κυβερνούν και τη συμπεριφορά των μακροσκοπικών σωμάτων.

Τα ισότοπα του ηλίου

Το στοιχείο ήλιο είναι το πιο κοινό στοιχείο στη φύση μετά το υδρογόνο. Στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε συγκέντρωση 0.0005%. Το φυσικό ήλιο υπάρχει με δύο μορφές ή ισότοπα, με πλήρως διαφορετικές ιδιότητες. Το Ήλιο-4 (4He) είναι το πιο κοινό ισότοπο (99.999%) ενώ το ήλιο-3 (3He) εμφανίζεται σε πολύ μικρό κλάσμα (0.001%). Το ήλιο-3 μπορεί να παραχθεί και σε πυρηνικές αντιδράσεις.

Το Ήλιο-4 έχει έναν πυρήνα με δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια (4 νουκλεόνια) και ο πυρήνας αυτός περιβάλλεται από από δύο ηλεκτρόνια, στη στιβάδα Κ. Το γεγονός ότι ο αριθμός των σωματίων που αποτελούν το άτομο είναι άρτιος γι’ αυτό και το ήλιο-4 ονομάζεται μποζόνιο. Ο πυρήνας του ηλίου-3 επίσης έχει δύο πρωτόνια, αλλά μόνο ένα νετρόνιο. Κι αυτό επίσης έχει 2 ηλεκτρόνια. Το  ήλιο-3 αποτελείται από περιττό αριθμό σωματίων, γι’ αυτό και είναι μποζόνιο. Λόγω του διαφορετικού αριθμού σωματίων στα δύο ισότοπα του ηλίου,  συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά όταν ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Οι ιδιότητες των ισοτόπων

Τα μποζόνια όπως το ήλιο-4 ακολουθούν τη στατιστική Bose-Einstein που, μεταξύ των άλλων, σημαίνει ότι υπό ορισμένες συνθήκες συμπυκνώνονται στην κατάσταση που κατέχει τη λιγότερη ενέργεια. Όταν παρατηρείται σε αυτό το μποζόνιο μια μετάβαση φάσης αυτή ονομάζεται συμπύκνωση Bose-Einstein. Ο πρώτος που κατόρθωσε να ψύξει το αέριο ήλιο-4 σε τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες ήταν ο Heike Kamerlingh- Onnes (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1913). Αυτό συνέβη στην αρχή των δεκαετιών του 20ου αιώνα. Ο ίδιος παρατήρησε ακόμα και τότε ότι όταν η θερμοκρασία πλησίασε στο απόλυτο μηδέν,  περίπου 2 βαθμούς, κάτι περίεργο συνέβη στο υγρό. Αλλά έπρεπε να φθάσουμε στο τέλος της δεκαετίας του ’30 για να ανακαλύψει πειραματικά το φαινόμενο της υπερρευστότητας στο ήλιο-4, ο Pjotr Kapitsa (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1978). Ένα φαινόμενο που εξηγήθηκε πρώτα, σε γενικές γραμμές, από τον Fritz στο Λονδίνο και κατόπιν λεπτομερώς από τον Lev Landau (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1962). Οι εξηγήσεις είναι βασισμένες στο γεγονός ότι το υπερρευστό υγρό, που εμφανίζεται σε μια μετάβαση φάσης όταν η θερμοκρασία είναι μόνο 2.17° επάνω από το απόλυτο μηδέν, είναι ένα είδος συμπυκνώματος Bose-Einstein των ατόμων του 4He.

statisticalΤα φερμιόνια όπως το 3He ακολουθούν τις στατιστικές Fermi-Dirac και δεν θα πρέπει να είναι πραγματικά συμπυκνωμένα  στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Για αυτόν τον λόγο η υπερρευστότητα δεν πρέπει να είναι δυνατή στο 3He, όπως στο 4He, και μπορούν να είναι σε μια θερμοκρασία μερικών βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Τα μποζόνια (4He) μπορούν να συγκατοικήσουν σε απεριόριστο αριθμό στην ίδια κβαντική κατάσταση, ενώ μόνο ένα φερμιόνιο (3He) μπορεί να καταλάβει μια δεδομένη κατάσταση. Αυτό το γεγονός είναι η αιτία των μεγάλων διαφορών μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων στις χαμηλές θερμοκρασίες.

Η υπερρευστότητα στο 4He (μποζόνια) συμβαίνει γιατί τα περισσότερα άτομα 4He είναι συγκεντρωμένα στην κατώτερη κβαντική κατάσταση (συμπύκνωση Bose-Einstein).

Τα άτομα του 3He σαν φερμιόνια δεν είναι ικανά να συμπυκνωθούν.

superfluidΑλλά τα φερμιόνια μπορούν στην πραγματικότητα να συμπυκνωθούν και να γίνουν μποζόνια, αλλά με έναν πιο περίπλοκο τρόπο. Αυτό προτάθηκε στη θεωρία BCS για την υπεραγωγιμότητα στα μέταλλα, που διατυπώθηκε από τους John Bardeen, Leon Cooper και Robert Schrieffer (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1972). Η θεωρία αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια, γιατί αποτελούνται μόνο από ένα σωμάτιο, έναν περιττό αριθμό. Επομένως ακολουθούν τις στατιστικές Fermi-Dirac ακριβώς όπως και τα άτομα του ηλίου-3.

Αλλά τα ηλεκτρόνια στα πολύ ψυχρά μέταλλα (2 mK ) μπορούν να συνδυαστούν σε ζεύγη, τα περίφημα ζεύγη Cooper και τότε αλλάζει η συμπεριφορά τους, γιατί τότε γίνονται μποζόνια (άρτιος αριθμός σωματίων). Αυτά τα ζεύγη μπορούν να σχηματίσουν ένα συμπύκνωμα κατά Bose-Einstein.

Αρχίζοντας από την εμπειρία της υπερρευστότητας στο ήλιο-4 και της υπεραγωγιμότητας στα μέταλλα, αναμενόταν ότι τα φερμιόνια στο υγρό ήλιο-3 πρέπει να ήταν ικανά και αυτά να σχηματίσουν ζεύγη μποζονίων και ότι θα μπορούσαν  να αποκτήσουν ιδιότητες υπερρευστότητας στα πολύ ψυχρά δείγματα του ισοτόπου ήλιο-3. Αν και εργάστηκαν πολλές ερευνητικές ομάδες με το πρόβλημα αυτό για χρόνια, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’60, όμως καμία δεν το πέτυχε. Πολλοί λοιπόν θεώρησαν ότι δεν θα μπορούσε ποτέ να επιτευχθεί η υπρρευστότητα στο ήλιο-3.

Η ανακάλυψη

Οι τρεις νομπελίστες ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell ήταν ειδικοί στις χαμηλές θερμοκρασίες και είχαν κατασκευάσει οι ίδιοι τις συσκευές τους. Με αυτές θα μπορούσαν να παραγάγουν τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες που το δείγμα θα είχε θερμοκρασία λίγα χιλιοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο David Lee και Robert Richardson ήταν ανώτεροι ερευνητές ενώ ο Douglas Osheroff ήταν μεταπτυχιακός σπουδαστής στην ομάδα.

Στην πράξη έψαχναν για ένα διαφορετικό φαινόμενο. Μια μετάβαση φάσης σε ένα είδος μαγνητικής τάξης στον ψυχρό πάγο ηλίου-3. Για να βρουν αυτήν την μετάβαση φάσης, μελετούσαν την πίεση, που μετρήθηκε μέσα στο δείγμα, ως συνάρτηση του χρόνου, κατά τη διάρκεια του οποίου ο όγκος του δείγματος αυξανόταν αργά και μετά μειωνόταν ελάχιστα. Στην καμπύλη φαίνονταν σαν δύο μικρά σκουντήματα, μερικά χιλιοστά του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Όμως ο σπουδαστής Osheroff σημείωσε τότε αυτά τα μικρά πρόσθετα άλματα στην καμπύλη (σχέδιο 1).

Είναι βέβαια εύκολο να θεωρηθούν τέτοιες μικρές αποκλίσεις ότι οφείλονταν στις συσκευές, αλλά ο Douglas Osheroff και οι υπόλοιποι συνάδελφοί του ήταν πεπεισμένοι ότι ήταν ένα αληθινό φαινόμενο. Στην πρώτη αναφορά που έκαναν, το 1972, το αποτέλεσμα ερμηνεύθηκε ως μετάβαση φάσης στον στερεό πάγο του ηλίου-3, που σχημάτιζε σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες.

Αλλά δεδομένου ότι η ερμηνεία τους δεν αντιστοιχούσε ακριβώς με τα αποτελέσματα της μέτρησης, άρχισαν νέες συμπληρωματικές μετρήσεις και την ίδια χρονιά οι ερευνητές ήταν σε θέση να παρουσιάσουν σε μια δεύτερη δημοσίευση ότι υπήρξαν στην πραγματικότητα δύο μεταβάσεις φάσης στο υγρό ήλιο-3.

Η ανακάλυψη σήμαινε την έναρξη εντατικής έρευνας για το νέο κβαντικό υγρό. Μια ιδιαίτερα σημαντική συμβολή έγινε από το θεωρητικό Anthony Leggett, ο οποίος βοήθησε στην ερμηνεία αυτής της ανακάλυψης.

Αυτό είχε μεγάλη σημασία για τους φυσικούς γιατί οι νόμοι της κβαντικής φυσικής, που διατυπώνονται για τα μικροσκοπικά συστήματα, μερικές φορές κυβερνούν άμεσα και τα μακροσκοπικά συστήματα.

Τα πειράματά τους χρησιμοποιούνται επίσης για να καθορίσουν την κλίμακα της θερμοκρασίας στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπως και στην κατανόηση των θερμών υπεραγωγών.

fignobel96

Σχέδιο 1. Το διάγραμμα παρουσιάζει την πίεση μέσα σε ένα δείγμα που περιέχει ένα μίγμα υγρού ηλίου-3 και στερεού πάγου ηλίου-3. Το δείγμα υποβάλλεται αρχικά σε αυξανόμενη εξωτερική πίεση για περίπου 40 λεπτά, όπου μετά η εξωτερική πίεση μειώνεται. Σημειώστε τις αλλαγές στην κλίση της καμπύλης στο Α και το Β και τις θερμοκρασίες στις οποίες αυτές εμφανίζονται.

Υπερρευστότητα στο ήλιο-3

Το εύρημα, ότι το νέο υγρό ήταν πραγματικά υπέρρευστο, επιβεβαιώθηκε αρκετά σύντομα από μια ερευνητική ομάδα κάτω από τον Olli Lounasmaa στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι. Διαπίστωσαν επίσης ότι το υγρό είναι χωρίς εσωτερική τριβή (ιξώδες).

Η πιο πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι το ήλιο-3 έχει τουλάχιστον τρεις διαφορετικές υπερρευστές φάσεις, των οποίων η μια εμφανίζεται μόνο εάν το δείγμα τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Σαν κβαντικό υγρό το ήλιο-3 έχει μια αρκετά πιο περίπλοκη δομή από το ήλιο-4. Είναι, παραδείγματος χάριν, ανισότροπο, το οποίο σημαίνει ότι έχει διαφορετικές ιδιότητες σε διαφορετικές χωρικές κατευθύνσεις, κάτι που δεν εμφανίζεται στα κλασσικά υγρά αλλά περισσότερο μοιάζει με τις ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων (Νόμπελ στη φυσική 1991 Pierre-Gilles de Gennes).

Μια συναρπαστική εφαρμογή της υπερρευστότητας στο ήλιο-3

Οι μεταβάσεις φάσης στην υπερρευστότητα στο ήλιο-3 έχουν χρησιμοποιηθεί πρόσφατα από δύο πειραματικές ερευνητικές ομάδες για να εξετάσουν μια θεωρία σχετικά με το πώς οι κοσμικές χορδές μπορούν να σχηματισθούν στο Σύμπαν. Αυτά τα  απέραντα υποθετικά αντικείμενα, που θεωρούνται ενδεχομένως ότι είναι σημαντικά για το σχηματισμό των γαλαξιών, μπορούν να έχουν προκύψει σαν συνέπεια των γρήγορων μεταβάσεων φάσης, που θεωρούνται ότι έχουν πραγματοποιηθεί ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά από το Big Bang.

Οι ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιούν νετρίνα, από πυρηνικές αντιδράσεις, για να θερμάνουν δείγματα υπέρρευστου ηλίου-3 τοπικά και γρήγορα. Όταν ξαναψύχθηκαν σχηματίσθηκαν σφαίρες δινών. Αυτές οι δίνες θεωρούνται ότι αντιστοιχούν στις κοσμικές χορδές. Το αποτέλεσμα, που δεν πρέπει να ληφθεί ως απόδειξη της ύπαρξης των κοσμικών χορδών στο Σύμπαν,  είναι ότι η θεωρία δοκιμάστηκε και εμφανίζεται να ισχύει στο σχηματισμό δίνης στο υπέρρευστα ήλιο-3.

Advertisements