Φυσικοί κατάφεραν για πρώτη φορά να ελέγξουν με ακρίβεια την περιστροφή μορίων μέσα σε ένα υπερρευστό, ανοίγοντας τον δρόμο για τη βαθύτερη κατανόηση των κβαντικών υγρών και των ορίων της υπερρευστότητας.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας (UBC) σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ ανέπτυξαν μια οπτική φυγόκεντρο που επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της περιστροφής μορίων μέσα σε σταγονίδια υγρού ηλίου. Πρόκειται για την πρώτη επιτυχημένη επίδειξη ελεγχόμενης μοριακής περιστροφής εντός ενός υπερρευστού, ένα επίτευγμα που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Η υπερρευστότητα είναι μια ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης όπου το υγρό ρέει χωρίς κανένα ιξώδες — ουσιαστικά χωρίς τριβή. Το υγρό ήλιο, όταν ψύχεται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, μετατρέπεται σε υπερρευστό. Παρά την απουσία εσωτερικής τριβής, τα υπερρευστά εξακολουθούν να λειτουργούν ως διαλύτες, επιτρέποντας τη διάλυση μορίων στο εσωτερικό τους.
«Ο έλεγχος της περιστροφής ενός μορίου διαλυμένου σε οποιοδήποτε ρευστό αποτελεί πρόκληση», εξηγεί ο δρ. Βάλερι Μίλνερ, αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας στο UBC και βασικός συγγραφέας της μελέτης. «Τα διαλυμένα μόρια αλληλεπιδρούν με τα ατομικά ή μοριακά συστατικά του ρευστού, μεγαλώνοντας ουσιαστικά και καθιστώντας δυσκολότερη την περιστροφή τους. Φανταστείτε να φτιάχνετε μια χιονόμπαλα: στην αρχή είναι πολύ εύκολο να την κινήσετε, αλλά γίνεται όλο και πιο δύσκολο όσο περισσότερο χιόνι προσκολλάται πάνω της.»
Πώς λειτουργεί η νέα οπτική φυγόκεντρος
Οι παραδοσιακές οπτικές φυγόκεντροι χρησιμοποιούνται εδώ και χρόνια για την περιστροφή μορίων σε αέρια, εκθέτοντάς τα σε ένα περιστρεφόμενο παλμό λέιζερ. Καθώς το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ περιστρέφεται, τα μόρια του αερίου ευθυγραμμίζονται με αυτό και αρχίζουν να περιστρέφονται. Μέχρι σήμερα, ωστόσο, η ίδια προσέγγιση δεν είχε επιτύχει σε μόρια βυθισμένα σε υπερρευστό.
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, η ομάδα του Μίλνερ ενσωμάτωσε μόρια σε νανοσταγονίδια ηλίου εμπλουτισμένα με διμερή νιτρικού οξειδίου. Στη συνέχεια, εισήγαγαν μια σύντομη καθυστέρηση μεταξύ των παλμών λέιζερ. Η παρεμβολή που προέκυψε παρήγαγε έναν πολύ πιο αργό και σταθερό ρυθμό περιστροφής, καθιστώντας τα μόρια ευκολότερο να περιστραφούν — αυξάνοντας αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν «δυνατότητα περιστροφής» τους.
Διερευνώντας τα όρια της υπερρευστότητας
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να μεταβάλουν τη συχνότητα περιστροφής χρησιμοποιώντας το νέο «κουμπί ελέγχου» που προσφέρει η οπτική φυγόκεντρος, προκειμένου να εντοπίσουν ένα κρίσιμο σημείο όπου η μοριακή περιστροφή αναμένεται να επιβραδυνθεί δραματικά, καθώς η υπερρευστότητα αρχίζει να καταρρέει.
«Δεν είναι καλά κατανοητό το πώς και πότε — για παράδειγμα σε ποια συχνότητα — θα συμβεί αυτή η μετάβαση σε τόσο μικροσκοπική ατομική κλίμακα», σημειώνει ο δρ. Μίλνερ. «Αυτός είναι ο βασικός τομέας που διερευνούμε αυτή τη στιγμή.»
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Συμβούλιο Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά (NSERC), το Ίδρυμα Καινοτομίας του Καναδά (CFI) και το Ταμείο Ανάπτυξης Γνώσης της Βρετανικής Κολομβίας.
Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει νέους ορίζοντες στην κβαντική μηχανική σε μακροσκοπική κλίμακα και θα μπορούσε να οδηγήσει σε βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών νόμων της φυσικής που διέπουν την ύλη σε ακραίες συνθήκες.