Nové skupenství: Suprapevná hmota je zároveň krystalická i supratekutá  
Tým vedený držitelem Nobelovy ceny za důkaz existence Bose-Einsteinova kondenzátu poprvé experimentálně vytvořil suprapevnou hmotu. Chce to extrémně nízké teploty a ultravysoké vakuum.
Zařízení použité k výrobě suprapevné hmoty. Kredit: MIT
Zařízení použité k výrobě suprapevné hmoty. Kredit: MIT

Dnešní doba přeje novým, většinou hodně exotickým formám hmoty. O nový přírůstek se teď postarali fyzici z MIT, kteří jako první experimentálně vytvořili nové skupenství suprapevné hmoty. V tomto skupenství je hmota jako pevná látka a zároveň se chová, jako by byla supratekutá, tedy kapalina s nulovou viskozitou.

 

Německý fyzik Wolfgang Ketterle a jeho tým použili lasery, s jejichž pomocí manipulovali Boseho-Einsteinovým kondenzátem, tedy látkou, která je tvořená bosony (částicemi s celočíselným spinem) při teplotě blízké absolutní nule. Ketterle zná tuhle věc velice dobře, je totiž jedním z trojice vědců, kteří v roce 2001 dostali za experimentální důkaz existence Bose-Einsteinova kondenzátu Nobelovu cenu.


Boseho-Einsteinův kondenzát je vlastně supratekutý plyn a Ketterle s kolegy ho působením laserů přinutili ke kondenzaci do kvantové fáze hmoty, která má pevnou strukturu, tak jako pevné látky, ale současně má nulovou viskozitu, stejně jako supratekuté kapaliny. Badatelé si od dalšího výzkumu takto nápadně protikladné formy hmoty slibují, že by mohli proniknout hlouběji do tajů supratekutosti a také supravodivosti. To by pak následně mohlo vést k úžasným technologiím se supravodivými magnety nebo senzory. Výzkum

Ketterleho tým (šéf čtvrtý zprava). Kredit: W. Ketterle.
Ketterleho tým (šéf čtvrtý zprava). Kredit: W. Ketterle.

Ketterleho týmu se objevil v novém čísle časopisu Nature.


Ketterle přiznává, že se jejich nová forma hmoty nepopisuje právě snadno. Je docela obtížné si představit materiál, který je současně pevný i supratekutý. Vědci nicméně už před nějakou dobou předpověděli, že by takové suprapevné skupenství hmoty mohlo existovat. Objevovaly se teoretické úvahy o tom, že by se pevné helium mohlo stát supratekutým, pokud by se atomy helia pohybovaly v krystalu pevného hélia. Tím by se hélium fakticky stalo suprapevným. V laboratoři ale až doposud nikdo takovou látku přesvědčivým způsobem nevyrobil a nedoložil.

 

Jako mohutná vlna v oceánu. Boseho-Einsteinův kondenzát vytvořený z atomů vápníku. Kredit: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.
Jako mohutná vlna v oceánu. Boseho-Einsteinův kondenzát vytvořený z atomů vápníku. Kredit: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

Badatelé použili metodu, jejímž je vlastně Ketterle spoluautorem. Kombinovali ochlazování lasery s ochlazováním pomocí odpařování, a tím snížili teplotu atomů sodíku na teplotu pár nanokelvinů, tedy hodně blízko k absolutní nule. Atomy sodíku přitom fungují jako bosony, protože mají stejný počet nukleonů (protonů a neutronů) a elektronů. Když je zchladili na teplotu jen nepatrně odlišnou od absolutní nuly, tak atomy sodíku vytvořily supratekutý plyn, tedy Boseho-Einsteinův kondenzát.

Logo MIT.
Logo MIT.

 

Pak Ketterle a spol. opět použili lasery a s jejich pomocí důmyslným způsobem manipulovali pohyb atomů Boseho-Einsteinova kondenzátu. V podmínkách ultravysokého vakua se jim podařilo překlopit polovinu atomů Boseho-Einsteinova kondenzátu do jiného kvantového stavu, v důsledku čehož vlastně vznikla směs dvou různých Boseho-Einsteinových kondenzátů. A ta nakonec vytvořila suprapevnou hmotu.


Suprapevná hmota je bezpochyby velmi exotická. Pokud víme, tak existuje za extrémně nízkých teplot v ultravysokém vakuu. Vědci teď ale dostali novou hračku, na které si budou dál zkoušet, co všechno je v našem vesmíru možné. Ketterle s kolegy doufají, že jejich objev inspiruje budoucí výzkum, který by mohl přinést i neočekávané výsledky. Na objevu suprapevné hmoty přitom nepracovali jenom v MIT ale i jinde. Ve stejném čísle časopisu Nature popisuje švýcarský tým vědců alternativní postup tvorby suprapevné hmoty, který využívá zrcadla zachycující záření laserových paprsků rozptýlených atomy. Podle Ketterleho to ukazuje, jak lákává suprapevná hmota je.

Video:  Superfluidity of Ultracold Matter - Wolfgang Ketterle


Wolfgang Ketterle



Literatura
MIT Neww 2. 3. 2017, Nature 543: 91-94, Wikipedia (Supersolid).

Datum: 04.03.2017
Tisk článku

Stephen Hawking Jeho život a dílo - Fergusonová Kitty
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 319 Kč
Stephen Hawking Jeho život a dílo
Fergusonová Kitty
Související články:

Hawkingovo záření černé díry napodobeno v laboratoři     Autor: Stanislav Mihulka (14.10.2014)
Kvantový Zenonův jev potvrzen: Když se díváte, atomy se nehýbají     Autor: Stanislav Mihulka (25.10.2015)
Fyzici poprvé zauzlovali Boseho-Einsteinův kondenzát do kvantových uzlů     Autor: Stanislav Mihulka (20.01.2016)



Diskuze:

Trochu strašidelná fáze hmoty

Pavel Psenak,2017-03-06 13:43:18

Aby se nakonec neukázalo, že suprapevná hmota dokáže prokázet běžnou pevnou hmotou jako údajně duchové zdí. Taky je prý přitom docela zima :-).

Odpovědět

Atomy sodíku mají stejný počet nukleonů (protonů a neutronů) a elektronů

Pavel Krušina,2017-03-06 12:23:50

Dobrý den, pokud by měl atom stejný počet nukleonů jako elektronů, tak by byl značně záporně nabit. Neutekl by jim od dalších takových atomů?

Odpovědět


Re: Atomy sodíku mají stejný počet nukleonů (protonů a neutronů) a elektronů

Pavel Brož,2017-03-06 13:57:08

Ano, tam je chybka. Jádro atomu sodíku - prakticky výhradně se vyskytujícího izotopu 23Na - má 11 protonů a 12 neutronů, tedy lichý počet nukleonů (=23). Spolu s 11 elektrony má tedy výsledný spin celočíselný, protože částic nesoucích spin je tam sudý počet (celkem 34). Proto se atomy sodíku chovají efektivně jako bozony.

Odpovědět

B-E kondenzát

Pavel Nedbal,2017-03-05 13:40:34

Pokud je mi známo, tak B-E kondenzát vznikne až velmi blízko 0K, kdy je energie částic tak nízká, že se vytvoří vazba. Z principu ale při "pokojových" teplotách nic takového být nemůže, kinetická energie částic to nedovolí. Proto zmíněnou věc vidím jako čistě akademickou, jakékoliv praktické využití = 0. Je to velmi podobné, jako v dřívějším článku "kovový vodík", stabilita nemožná. Taky nepoužitelné.

Odpovědět


Re: B-E kondenzát

Pavel Brož,2017-03-05 14:19:49

No tak já bych to rozdělil na dvě věci, z nichž každá má jiný závěr týkající se praktické aplikace. V prvé řadě ale vyřaďme praktické aplikace typu domácího využití v kuchyni nebo v garáži, o tom se doufám nebavíme. Pokud se ale bavíme o praktickém využití ve špičkových technologiích, tak tam se dostáváme k následujícím argumentům:

- to, že je nějaká technologie podmíněná teplotou blízkou absolutní nule naprosto neznamená, že je nepoužitelná. Spousta špičkových zařízeních běžně používá chlazení blízké absolutní nule, ať už jsou to vysoce citlivá měření, kde je nutné co nejvíce eliminovat nežádoucí šumy působené tepelným pohybem, anebo k dosažení klasické (nikoliv vysokoteplotní, která má značné proudové omezení) supravodivosti, ať už jde o magnety LHC, o chlazení experimentálních fúzních reaktorů, a stovek dalších aplikací, které supravodivost využívají;

- druhá věc je, jestli dnes známe nějaká smysluplná využití (ve smyslu předchozího bodu) pro supratekutost - tím myslím standardní supratekutost např. helia, nikoliv supratekutost pouze "elektronového plynu", která se projevuje jako supravodivost. Dodnes žádnou rozumnou aplikaci supratekutosti nemáme, a proto zde tedy vzniká legitimní otázka, jestli bude nalezena aplikace suprapevnosti, když ani tu supratekutost dodnes využít neumíme. To je otázka na nějaký zlom v technologiích někdy v blízké či vzdálenější budoucnosti.

Takže teplota blízká absolutní nule pro praktické využití ve špičkových technologiích problém nepředstavuje. Otazník dnes visí pouze nad podobným praktickým využitím suprapevnosti.

Odpovědět


Re: Re: B-E kondenzát

Maroš Štulajter,2017-03-06 11:26:33

chcem sa opýtať na jednú vec pokiaľ elektrón padne do jadra vodíka vzniká vzniká neutrón. pokiaľ by padol do atómu iného prvku tak by vlastne vzniklo neutrónové jadro držané silnými jadrovými silami. to jadro by vlastne malo byť pevnejšie ako obyčajné pretože sa odpudivé sily eliminujú. čo sa stane s kvarkami. budú pôsobiť jadrové sily tak pevne, že sa kvarky spoja?

Odpovědět


Re: Re: Re: B-E kondenzát

Pavel Brož,2017-03-06 14:22:58

Elektron nemůže "spadnout" do jádra vodíku a vytvořit tak neutron, protože tomu brání zákon zachování energie. Neutron je totiž o cca 2,5 klidové hmotnosti elektronu těžší než proton. Pokud byste k sobě dali proton a neutron, tak Vám bude stále ještě 1,5 klidové hmotnosti elektronu chybět, tj. podle vztahu E=mc^2 Vám bude chybět energie ekvivalentní hmotě 1,5 elektronu. Proto je také atom vodíku stabilní - pokud by totiž elektron mohl takto "spadnout" na vodíkové jádro, tak by se taky tak stávalo, a atomy vodíku by se spontánně měnily na neutrony, což se neděje. Děje se pravý opak, volné neutrony se rozpadají na protony, elektrony a elektronová antineutrina, přičemž výsledné produkty rozpadu si navíc odnesou kinetickou energii, která je rovna právě zhruba těm 1,5 klidovým energiím elektronu (kde klidovou energii elektronu spočteme z jeho klidové hmotnosti právě pomocí vztahu E=mc^2).

Totéž platí v případě lehčích jader, záchyt elektronu jádrem za současné přeměny jednoho protonu na neutron je vyloučen právě kvůli zákonu zachování energie. U těžších jader je to složitější, protože u nich existuje množství možných izotopů, které se značně liší svými energiemi - jejich energie je dána jako součet klidových energií protonů a neutronů minus jejich vazebná energie, a právě tato vazebná energie se pro různá jádra může dramaticky lišit. Pokud má cílové jádro stejný počet nukleonů jako původní, dále pokud má o jeden proton méně (tedy o jeden neutron více), a navíc pokud je jeho vazebná energie o 1,5 násobek klidové energie elektronu větší než u jádra původního, tak potom k tomuto "pádu" či precizněji řečeno záchytu elektronu z elektronového obalu opravdu dojít může a také k němu dochází. Zákon zachování energie zde pak narušen není, protože ve výsledném jádru je sice větší klidová energie nukleonů (protože je zde neutron místo protonu), ale také je větší vazebná energie, která se od té klidové energie nukleonů odečítá. Nehrozí ale, že by se tento záchyt opakoval i u cílového jádra, tzn. že by k tomuto jevu docházelo kaskádovitě dál a dál, protože sérii třech takových jader, která mají stejný počet neutronů, liší se počtem protonů vždy o jeden a to následující má vazebnou energii aspoň o 1,5 násobek klidové energie elektronu větší než předchozí, mezi stabilními nebo aspoň déležijícími izotopy nenajdete.

Odpovědět


Re: B-E kondenzát

Ondřej Šimek,2017-03-05 15:31:47

Chtelo by to kapku predstavivosti... Jake prostredi ma nejblize k absolutni nule? Co takove vyuziti ve vesmiru?

Odpovědět


Re: Re: B-E kondenzát

Stanislav Brabec,2017-03-22 18:45:27

Od vesmírných reliktních 2,73 K k suprapevným < 0,000 000 01 K je ještě velmi daleká cesta.

Odpovědět

Draslík

Ivan Čech,2017-03-05 00:03:22

https://www.novinky.cz/koktejl/24656-vedci-vytvorili-seste-skupenstvi.html

Odpovědět

živí koncert nemrtvých a lasery jsou taky

Jan Jakub Mikl,2017-03-04 19:09:49

Přeji hezkou zábavu. Tady lasery pohybují rovnou celou postavou která je taky polopevná v zároveň i tak trochu polotekutá. Watashi wa Miku moto moto suki desu !!! https://www.youtube.com/watch?v=LpbbP8oh1p4

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace