Κβαντικοί ανεμοστρόβιλοι που ανακαλύφθηκαν στην υπερστερεά ύλη:Πληροφορίες για τα αστέρια νετρονίων
Νέες παρατηρήσεις μικροσκοπικών δίνων επιβεβαιώνουν την ύπαρξη μιας παράδοξης φάσης ύλης που μπορεί επίσης να προκύψει μέσα σε αστέρια νετρονίων.
Εισαγωγή
Σε ένα εργαστήριο φωλιασμένο ανάμεσα στις οδοντωτές κορυφές των Αυστριακών Άλπεων, τα μέταλλα σπάνιων γαιών εξατμίζονται και εκτοξεύονται από έναν φούρνο με την ταχύτητα ενός μαχητικού αεροσκάφους. Στη συνέχεια, ένας συνδυασμός λέιζερ και μαγνητικών παλμών επιβραδύνει το αέριο σχεδόν μέχρι να σταματήσει, καθιστώντας το πιο κρύο από τα βάθη του διαστήματος. Τα περίπου 50.000 άτομα στο αέριο χάνουν κάθε αίσθηση ταυτότητας, συγχωνεύονται σε μια ενιαία κατάσταση. Τέλος, με μια συστροφή του μαγνητικού πεδίου του περιβάλλοντος, μικροσκοπικοί ανεμοστρόβιλοι στροβιλίζονται στην ύπαρξη, πιρουέτες στο σκοτάδι.
Για τρία χρόνια, η φυσική Francesca Ferlaino και η ομάδα της στο Πανεπιστήμιο του Innsbruck εργάστηκαν για να απεικονίσουν αυτές τις δίνες κβαντικής κλίμακας σε δράση. «Πολλοί άνθρωποι μου είπαν ότι αυτό θα ήταν αδύνατο», είπε η Ferlaino κατά τη διάρκεια μιας περιοδείας στο εργαστήριό της αυτό το καλοκαίρι. "Αλλά ήμουν τόσο πεπεισμένος ότι θα τα καταφέρναμε."
Τώρα, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature , δημοσίευσαν στιγμιότυπα των δίνων, επιβεβαιώνοντας το πολυαναμενόμενο χαρακτηριστικό μιας εξωτικής φάσης της ύλης γνωστής ως υπερστερεό.
Το υπερστερεό, μια παράδοξη φάση της ύλης που είναι ταυτόχρονα το πιο άκαμπτο από τα στερεά και το πιο ρευστό από τα υγρά, έχει συναρπάσει τους φυσικούς της συμπυκνωμένης ύλης από την πρόβλεψή του το 1957. Οι υπαινιγμοί της φάσης αυξάνονται, αλλά το νέο πείραμα εξασφαλίζει την τελευταία σημαντική απόδειξη για την ύπαρξή του. Οι συγγραφείς πιστεύουν ότι οι δίνες που σχηματίζονται στα υπερστερεά μπορούν να βοηθήσουν στην εξήγηση των ιδιοτήτων σε μια σειρά συστημάτων, από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας έως αστρονομικά σώματα.
Οι δίνες μπορεί να δείξουν πώς συμπεριφέρεται η ύλη σε μερικές από τις πιο ακραίες συνθήκες στο σύμπαν. Τα πάλσαρ, τα οποία περιστρέφονται αστέρια νετρονίων - τα εξαιρετικά πυκνά πτώματα των καμένων αστεριών - είναι ύποπτα ότι έχουν υπερστερεό εσωτερικό. «Αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα πολύ καλό αναλογικό σύστημα» για τα αστέρια νετρονίων, είπε η Vanessa Graber, φυσικός στο Royal Holloway, Πανεπιστήμιο του Λονδίνου στο Ηνωμένο Βασίλειο, που ειδικεύεται σε αυτά τα αστέρια. "Είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος γι' αυτό."
Άκαμπτο και ρευστό
Φανταστείτε να περιστρέφετε έναν κουβά γεμάτο με διαφορετικά είδη ύλης. Ένα στερεό θα στροβιλιστεί μαζί με το δοχείο λόγω της τριβής μεταξύ του κάδου και του άκαμπτου πλέγματος ατόμων του υλικού. Ένα υγρό, από την άλλη πλευρά, έχει λιγότερη εσωτερική τριβή, επομένως θα σχηματίσει μια μεγάλη δίνη στο κέντρο του κάδου. (Τα εξωτερικά άτομα περιστρέφονται με τον κάδο ενώ τα εσωτερικά υστερούν.)
Εάν κάνετε ορισμένα υγρά αρκετά κρύα και αραιά, τα άτομά τους αρχίζουν να αλληλεπιδρούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις, εν τέλει ενώνονται μεταξύ τους σε ένα γιγάντιο κύμα που ρέει τέλεια χωρίς καμία τριβή. Αυτά τα λεγόμενα υπερρευστά ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στο ήλιο το 1937 από Ρώσους και Καναδούς φυσικούς.
Η Francesca Ferlaino, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ, παρατήρησε το χαρακτηριστικό γνώρισμα των υπερστερεών.
M Vandory/Πανεπιστήμιο του Innsbruck
Δοκιμάστε να περιστρέψετε έναν κουβά υπερρευστού και θα παραμείνει σε ηρεμία ακόμα και όταν ο κάδος περιστρέφεται γύρω του. Το υπερρευστό εξακολουθεί να τρίβεται πάνω στον κάδο, αλλά το υλικό είναι εντελώς αδιαπέραστο από την τριβή έως ότου το δοχείο φτάσει σε μια ορισμένη ταχύτητα περιστροφής. Σε αυτό το σημείο, αντιστέκεται στην παρόρμηση για περιστροφή, το υπερρευστό δημιουργεί ξαφνικά μια ενιαία κβαντική δίνη — ένα στρόβιλο ατόμων που περιβάλλει μια στήλη του τίποτα που εκτείνεται μέχρι το κάτω μέρος του κάδου. Συνεχίστε να επιταχύνετε το δοχείο και περισσότεροι από αυτούς τους τέλειους ανεμοστρόβιλους θα γλιστρήσουν από το χείλος.
Είκοσι χρόνια μετά την ανακάλυψη των υπερρευστών, ο Αμερικανός φυσικός Eugene Gross πρότεινε ότι ο ίδιος κβαντικός κολεκτιβισμός θα μπορούσε να εμφανιστεί στα στερεά. Οι φυσικοί συζητούσαν για δεκαετίες εάν αυτό το παράξενο υβρίδιο υπερρευστού-στερεού θα μπορούσε να υπάρξει. Τελικά, προέκυψε μια θεωρητική εικόνα για το υπερστερεό. Προσαρμόζοντας το μαγνητικό πεδίο γύρω από ένα υπερρευστό, μπορείτε να μειώσετε την απώθηση μεταξύ των ατόμων με τέτοιο τρόπο ώστε να αρχίσουν να συσσωρεύονται μεταξύ τους. Αυτές οι συστάδες θα ευθυγραμμιστούν όλες με το μαγνητικό πεδίο, αλλά θα απωθούνται η μία την άλλη, αυτο-οργάνωση σε ένα κρυστάλλινο μοτίβο διατηρώντας παράλληλα την παράξενη συμπεριφορά τους χωρίς τριβές.
Βάλτε ένα υπερστερεό σε έναν περιστρεφόμενο κάδο και τα άτομα θα μετατοπιστούν σε συγχρονισμό έτσι ώστε το πλέγμα των συστάδων να φαίνεται να περιστρέφεται με το δοχείο, σαν ένα στερεό. Αλλά, όπως ένα υπερρευστό, όταν περιστρέφεται αρκετά γρήγορα το υλικό θα εξακολουθήσει να ξεσπά σε δίνες, οι οποίες θα καρφώνονται μεταξύ των συστάδων ατόμου. Το υπερστερεό θα είναι ταυτόχρονα άκαμπτο και ρευστό.
Η πρόβλεψη του Gross ξεκίνησε ένα μακρύ κυνήγι για υπερστερεά στο εργαστήριο.
Ferlaino Group
Οι ερευνητές ανακοίνωσαν για πρώτη φορά μια ανακάλυψη το 2004, μόνο για να αποσύρουν τον ισχυρισμό τους. Νέες εκρήξεις δραστηριότητας ήρθαν το 2017 και στη συνέχεια ξανά το 2019, όταν ομάδες από τη Στουτγάρδη, τη Φλωρεντία και το Ίνσμπρουκ βρήκαν πολλά υποσχόμενα σήματα υπερστερεότητας σε μονοδιάστατα συστήματα. Οι ομάδες ξεκίνησαν με αέρια ατόμων δυσπροσίου και ερβίου, τα οποία είναι εγγενώς αρκετά μαγνητικά ώστε να λειτουργούν σαν μικροί μαγνήτες ράβδων. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου πυροδότησε τα άτομα να ομαδοποιηθούν φυσικά σε κανονικά απέχουσες συστάδες, σχηματίζοντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Στη συνέχεια, όταν οι ερευνητές μείωσαν τη θερμοκρασία και την πυκνότητα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων τα έκαναν να ταλαντωθούν φυσικά ως ένα συνεκτικό κύμα, πλήρες με όλα τα χαρακτηριστικά ενός υπερρευστού.
Τα πειράματα του 2019 έπιασαν μια γεύση από τις «δύο ανταγωνιστικές φύσεις» του υπερστερεού, είπε η Έλενα Πόλι, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στην ομάδα του Ίνσμπρουκ. Έκτοτε, η ομάδα έχει επεκτείνει το υποτιθέμενο υπερστερεό της από μια διάσταση σε δύο και το διερεύνησε για διαφορετικές προβλεπόμενες ιδιότητες.
Αλλά «αυτό που έλειπε ήταν βασικά η απόδειξη του όπλου καπνίσματος» των υπερστερεών, είπε ο Jens Hertkorn, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και πρώην μέλος της ομάδας της Στουτγάρδης. Το σήμα κατατεθέν της υπερρευστότητας είναι η συστοιχία στροβιλισμών που γεννιέται κατά την περιστροφή. Παρά τα χρόνια προσπαθειών, "κανείς δεν έχει στρίψει με επιτυχία ένα υπερστερεό στο παρελθόν", είπε ο Hertkorn.
Περιστροφή υπερστερεού
Για να παρατηρήσει πώς το υπερστερεό τους ανταποκρίνεται στην περιστροφή, το πλήρωμα του Ίνσμπρουκ χρησιμοποίησε ένα μαγνητικό πεδίο ως κουτάλι για να ανακατεύει τα εσωτερικά μαγνητικά πεδία των ατόμων περίπου 50 φορές το δευτερόλεπτο. Αυτό είναι αρκετά γρήγορο για να προκαλέσει δίνες, αλλά αρκετά ήπιο για να διατηρήσει την κβαντική φάση. "Είναι μια πολύ, πολύ ευαίσθητη κατάσταση — οποιαδήποτε μικρή αλλαγή θα την κατέστρεφε", είπε ο Ferlaino.
Ο εντοπισμός αυτών των μικρών κυκλώνων ήταν μεγαλύτερη πρόκληση. Η ομάδα πέρασε τρία χρόνια κυνηγώντας την κβαντική καταιγίδα. Τελικά, εκτέλεσαν μια πρόταση από το 2022 από τον Alessio Recati, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Trento. Πρότεινε να σχηματιστούν δίνες στην υπερστερεά φάση και στη συνέχεια να λιώσει το υλικό σε ένα υπερρευστό προκειμένου να απεικονιστούν οι δίνες με υψηλότερη αντίθεση.
Το εργαστήριο της Francesca Ferlaino στο Πανεπιστήμιο του Innsbruck.
Patscheider
Ένα βράδυ Παρασκευής στις αρχές του περασμένου έτους, τρεις φοιτητές εισέβαλαν σε μια αμυδρή παμπ κοντά στην πανεπιστημιούπολη του Ίνσμπρουκ κρατώντας ένα φορητό υπολογιστή. Έψαχναν δύο από τους μεταδιδακτορικούς της ομάδας, οι οποίοι επαλήθευσαν ότι είχαν συλλάβει έναν ανεμοστρόβιλο στο κβαντικό τους αέριο. «Ήταν εξαιρετικά συναρπαστικό», είπε ο Thomas Bland, ένας από τους μεταδιδακτορικούς. Οι απόφοιτοι επέστρεψαν στο εργαστήριο και ο Bland και ο συνάδελφός του έμειναν για έναν εορταστικό γύρο.
«Όλοι πιστεύουμε ότι είναι μια κβαντική δίνη», είπε ο Recati, ο οποίος δεν συμμετείχε στο πείραμα. Περιμένει από τους πειραματιστές να μετρήσουν την ταχύτητα περιστροφής των ανεμοστρόβιλων για να επιβεβαιώσουν πλήρως τις θεωρητικές προβλέψεις, αλλά οι εικόνες από μόνες τους είναι μια ικανοποιητική επικύρωση, είπε. "Αυτό είναι πολύ σχετικό για ολόκληρη την κοινότητα της φυσικής."
Ο Hertkorn θέλει να δει τα αποτελέσματα να αναπαράγονται από άλλες ομάδες και να παρακολουθεί πώς αλλάζουν τα σήματα σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Ωστόσο, επαινεί την ομάδα του Ίνσμπρουκ για την επιμονή τους να κάνουν μια τόσο απαιτητική μέτρηση. "Είναι απλά πειραματικά πραγματικά εντυπωσιακό ότι αυτό είναι παρατηρήσιμο", είπε.
Κοσμικές Συνδέσεις
Τον περασμένο Μάιο, ο Ezequiel Zubieta γευμάτιζε σε ψητά ψωμάκια σε μια μικρή πόλη έξω από το Μπουένος Άιρες, όταν είδε ένα νεκρό αστέρι να σπάζει από την οθόνη του φορητού υπολογιστή του. Ο Zubieta, φοιτητής πτυχιούχου αστρονομίας στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Λα Πλάτα, παρακολουθούσε την εντυπωσιακά σταθερή περιστροφή του πάλσαρ Βέλα, το μαγνητισμένο απομεινάρι ενός τεράστιου άστρου που εξερράγη πριν από περίπου 11.000 χρόνια.
Καθώς στροβιλίζεται, το Vela εκτοξεύει δέσμες ακτινοβολίας από τους πόλους του που αναβοσβήνουν στη Γη 11 φορές το δευτερόλεπτο, με μια κανονικότητα που ανταγωνίζεται τα καλύτερα ρολόγια που μπορούν να φτιάξουν οι άνθρωποι. Αλλά εκείνη την ημέρα, το αστέρι περιστράφηκε περίπου 2,4 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου πιο γρήγορα από το συνηθισμένο.
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι αναρωτιόντουσαν τι θα μπορούσε να κάνει αυτά τα ογκώδη αντικείμενα να επιταχύνουν ξαφνικά την περιστροφή τους. Πολλοί ελπίζουν ότι αυτές οι δυσλειτουργίες των πάλσαρ μπορούν να τους βοηθήσουν να αποκρυπτογραφήσουν την εσωτερική λειτουργία αυτών των περίεργων κοσμικών φάρων.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι τα αστρικά πτώματα είναι πυκνά γεμάτα με νετρόνια - ένα κουταλάκι του γλυκού υλικού αστεριών νετρονίων θα ζύγιζε όσο το Έβερεστ. Κανείς δεν είναι σίγουρος τι συμβαίνει με τα νετρόνια σε τέτοιες συνθήκες. Αλλά οι αστρονόμοι υποψιάζονται ότι, σε ένα στρώμα κάτω από τον συμπαγή εξωτερικό φλοιό του άστρου, τα νετρόνια υπό πίεση σχηματίζουν συστάδες που παίρνουν ασυνήθιστα σχήματα, τα οποία συχνά αναφέρονται ως «πυρηνικά ζυμαρικά». Τα κορυφαία μοντέλα διαθέτουν φάσεις που μοιάζουν με νιόκι, σπαγγέτι και λαζάνια.
Σε ένα συνέδριο το 2022, ο Φερλαίνο άκουσε μερικούς αστρονόμους να συζητούν τις υποτιθέμενες ιδιότητες των πυρηνικών ζυμαρικών. Πολλοί πιστεύουν ότι οι όμοιες μάζες των νετρονίων θα συγχωνευθούν για να σχηματίσουν ένα υπερρευστό, αλλά δεν είναι σαφές πώς αυτό το υλικό θα μπορούσε να προκαλέσει δυσλειτουργίες. Η Φερλαίνο υποψιάστηκε ότι οι δυσλειτουργίες θα μπορούσαν να είναι σημάδι των υπερστερεών που μαγείρευε στο δικό της εργαστήριο, γι' αυτό αποφάσισε να το ερευνήσει.
Τα νετρόνια υπό πίεση που γεμίζουν αστέρια νετρονίων πιστεύεται ότι παίρνουν μια σειρά από πιθανά σχήματα γνωστά ως "πυρηνικά ζυμαρικά".
Ferlaino Group
Πέρυσι, η ομάδα της χρησιμοποίησε μια προσομοίωση του υπερστερεού τους σε υπολογιστή για να μοντελοποιήσει τι θα συνέβαινε εάν ένα παρόμοιο υλικό υπήρχε μέσα σε ένα περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων. Ανακάλυψαν ότι μετά τη δημιουργία δίνων, ένας από αυτούς μπορεί να εκτοπιστεί και να χτυπήσει τον γείτονά του, πυροδοτώντας έναν ανεμοστρόβιλο και χιονοστιβάδα που μεταφέρει την ενέργειά του στο δοχείο. Αρκετές από αυτές τις συγκρούσεις ανεμοστρόβιλων θα μπορούσαν να επιταχύνουν για λίγο την περιστροφή του αστέρα νετρονίων, με αποτέλεσμα ένα σφάλμα, πρότειναν.
Ο Graber, ο οποίος είχε δημοσιεύσει μια ανασκόπηση εργαστηριακών αναλόγων για αστέρια νετρονίων αρκετά χρόνια νωρίτερα, ήταν ενθουσιασμένος που συνάντησε το έγγραφο. «Θεέ μου, υπάρχει κάτι άλλο εκεί έξω που μπορώ να χρησιμοποιήσω», θυμάται σκεπτόμενη τις διάφορες ιδιότητες των περιστρεφόμενων υπερστερεών που περιγράφονται στην εφημερίδα. "Μόλις διάβασα το κείμενο, σκέφτηκα:"Αυτό έχω, αυτό έχω και αυτό έχω."
Τώρα που η ομάδα του Φερλαίνο έχει εντοπίσει δίνες στο υπερστερεό τους, σχεδιάζουν να διερευνήσουν πώς σχηματίζονται, μεταναστεύουν και διαχέονται οι ανεμοστρόβιλοι. Θέλουν επίσης να αναπαραγάγουν τον υποτιθέμενο μηχανισμό για δυσλειτουργίες πάλσαρ, για να δείξουν πώς μια χιονοστιβάδα δινών μπορεί να ωθήσει ένα υπερστερεό του πραγματικού κόσμου να επιταχύνει το γύρισμα του. Οι φυσικοί ελπίζουν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτές τις μελέτες για να αποκρυπτογραφήσουν άλλες εξωτικές φάσεις της ύλης όπου οι δίνες αναμένεται να διαδραματίσουν βασικό ρόλο, όπως σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.
Εν τω μεταξύ, αστρονόμοι όπως ο Graber και ο Zubieta ελπίζουν ότι αυτή η εργασία θα επιτρέψει ένα νέο διαγνωστικό εργαλείο για πάλσαρ. Με μια καλύτερη κατανόηση της δυναμικής του στροβιλισμού, ενδέχεται να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν παρατηρήσεις δυσλειτουργίας πάλσαρ για να συμπεράνουν τη σύνθεση και τη συμπεριφορά των πυρηνικών ζυμαρικών.
"Εάν μπορείτε να καταλάβετε πώς λειτουργεί αυτή η φυσική σε μικρή κλίμακα, αυτό είναι πραγματικά πολύτιμο για εμάς", είπε ο Graber. "Δεν μπορώ να χρησιμοποιήσω τηλεσκόπιο και να κοιτάξω μέσα στον φλοιό ενός άστρου νετρονίων, αλλά ουσιαστικά έχουν αυτή τη λαβή."
Ο Ferlaino, του οποίου η ομάδα είναι σε επιφυλακή για άλλα συστήματα που μπορεί να φέρουν υπερστερεότητα, βλέπει τις εφαρμογές ως αντανάκλαση της θεμελιώδους σύνδεσης της φύσης. «Η φυσική είναι καθολική», είπε, και «μαθαίνουμε τους κανόνες του παιχνιδιού».
Επόμενο άρθρο
Συλλέγει τους σχεδιαστικούς κανόνες της ζωής για να το ξαναδημιουργήσει
