Student World

Rakouští fyzikové z Univerzity v Innsbruku pokračují ve studiu kvantových jevů supratekutosti a supravodivosti. Podařilo se jim sledovat změny energie, která váže dva elektrony do tzv. Cooperovu páru v závislosti na proměně teploty.

Všechny částice můžeme podle jejich spinu rozdělit do dvou kategorií, na bosony a fermiony. Boson má spin celočíselný, kdežto fermion polovinový. Rozdíly mezi těmito kategoriemi se stávají zřejmější, pokud atom ochladíme na extrémně nízkou teplotu. Bosonové atomy se v takovém případě „sladí“ do nejnižšího kvantového stavu a vytvoří tzv. Boseův-Einsteinův kondenzát (BEC, viz článek Dosud nejnižší dosažená teplota: Boseův-Einsteinův kondenzát – http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/83C72D475EC64293C1256E970048FDB3?OpenDocument&cast=1)
Tento kondenzační proces je zároveň jevem způsobující podivné chování, jako supratekutost a supravodivost.

Fermiony se naproti tomu chovají zcela jinak, platí pro ně Pauliho vylučovací princip. Chovají se tak, že nemohou v témže kvantovém stavu existovat dva identické fermiony. (Mezi fermiony patří např. elektron. To, že se elektron uplatňuje Pauliho vylučovací princip, zajišťuje stabilitu atomů, molekul, organizaci elektronů kolem atomového jádra – což je vlastně pozadí veškerých jevů, které zkoumá chemie.) Jestliže se ovšem sváží chemickou vazbou dva fermiotické atomy (tedy atomy s polovičními spiny), vytvořená molekula bude mít spin celočíselný. Bude se chovat jako boson, a co víc, bude tedy schopná s ostatními molekulami zkondenzovat do podoby BEC.
Výše zmíněné elektrony jsou sice svým polovičním spinem předurčeny k tomu, aby se chovaly jako fermiony, při extrémně nízké teplotě se nicméně za určitých podmínek spárují do supravodivých „dvojčat“, označovaných jako Cooperovy páry. (Neboť ideu párování rozpracoval americký fyzik Leon N. Cooper, viz http://www.nobel.se/physics/laureates/1972/cooper-bio.html) Protože Cooperův pár je orbitální i spinový singlet, tedy boson, lépe řečeno pseudoboson, může tento jev párování spolu s „kvantovým tunelováním“ vysvětlit supravodivost kovů ochlazených na teplotu blízkou absolutní nule (tato teorie je ovšem daleko složitější a její byť stručné shrnutí daleko překračuje možnosti tohoto článku.)

Experimentátoři z Institutu experimentální fyziky (http://exphys.uibk.ac.at/institute/en/research.html) při Univerzitě v Innsbruku vycházeli z předpokladu, že pokud párování budou iniciovat ve Fermiho plynu tvořeném fermiotickými atomy, poskytne jim údaje k dokonalejšímu poznání tohoto jevu. Rudolf Grimm a jeho spolupracovníci ochladili atomy lithia-6 na teplotu 500 nanokelvinů a následně je pomocí silného magnetického pole přinutili spojit se do páru, v nichž jejich poloviční spiny vtvořily celočíselné, tedy do pseudobosonů.

Tyto molekuly postupně vytvořily molekulární Bose-Einsteinův kondenzát. Vlastní jádro experimentu ovšem spočívalo v postupu opačném: v pozorování jevu, k němuž dochází, pokud se změnou magnetického pole a s využitím elektromagnetických vln naruší toto párování a z kondenzátu se opět stává Fermiho plyn. Díky rádiové spektroskopii byla Grimmova skupina schopna výpočtem určit vazebnou energii páru, která je na spektru viditelná a označuje se jako „energetická mezera“. Výzkumníci díky tomu experimentu zároveň mohli sledovat, jak se tato energie mění v závislosti se změnou teploty. Potěšitelné je, že jejich pozorování se s shoduje s teorií o vytváření Cooperových párů, kterou podrobně rozpracovala skupina finských teoretických fyziků pod vedením Paiviho Törmä (http://www.phys.jyu.fi/research/electronics/theoretical/theoretical.html#fermi_gases).
Předpokládá se, že tento výzkum přispěje nejen k hlubšímu poznání kvantových jevů, ale v budoucnosti i k efektivnějšímu využití supravodivosti při vyšších teplotách.

Více informací:

Ultracold atoms and Quantum Gases
http://exphys.uibk.ac.at/ultracold

BEC Homepage
http://www.colorado.edu/physics/2000/bec

Cooper Pairs and the BSC Theory of Superconductivity
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/coop.html

A Teacher`s Guide to Superconductivity for High School Students
http://www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html

autor Jan Kapoun