 |
| Εικόνα για το πώς ο δακτύλιος BEC κόβεται από ένα πράσινο λέιζερ. |
Φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν αναπτύξει κάτι ανάλογο μιας υπεραγώγιμης κβαντικής συσκευής παρεμβολής (SQUID superconducting quantum interference device), που αντικαθιστά τους υπεραγωγούς με ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein και μετρά περιστροφή και όχι μαγνητική ροή. Ελπίζουν ότι η έρευνα θα οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων, υπερ-ευαίσθητων γυροσκόπιων.
Το SQUID είναι μια καθιερωμένη και εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων που έχει βρει μία κλίμακα εμπορικών εφαρμογών. Στην καρδιά του είναι ένας βρόχος υπεραγωγού χωρισμένος από μία ή δύο επαφές Josephson. Αυτά είναι λεπτά εμπόδια από μη υπεραγώγιμο υλικό ενώ τα υπεραγώγιμα ζεύγη ηλεκτρονίων είναι σε θέση να διαπερνούν τη σήραγγα. Τα SQUIDs στηρίζονται στο γεγονός ότι όλα τα υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια παριστάνονται από την ίδια κυματοσυνάρτηση, η οποία εκτείνεται γύρω από το βρόχο και περιλαμβάνει τις διασταυρώσεις. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα που ρέει γύρω από το βρόχο - και επομένως η μαγνητική ροή διαμέσου του βρόχου - κβαντώνεται σε διακριτές τιμές. Αν η μαγνητική ροή στο βρόχο αυξάνεται ή μειώνεται, δημιουργείται μια ταλάντωση στην τάση στα άκρα των επαφών Josephson κάθε φορά που οι αλλαγές μαγνητικής ροής συμβαίνουν κατά ένα κβάντο. Αυτά τα κβάντα είναι πολύ μικρά και επομένως μια εξαιρετικά μικρή αλλαγή στη μαγνητική ροή μπορεί να μετρηθεί μετρώντας τις ταλαντώσεις της τάσης.
Το συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) μοιάζει με ένα υπεραγωγό, διότι είναι μια συλλογή υπέρψυχρων ατόμων, που αντιπροσωπεύονται από την ίδια κυματοσυνάρτηση και με ροές σαν υπερρευστό χωρίς μηχανική αντοχή. Εάν ένα BEC περιορίζεται σε έναν βρόχο, η υπερρευστό μπορεί να ρέει γύρω για πάντα - τουλάχιστον στην αρχή - και η στροφορμή του BEC είναι κβαντισμένη σαν ρεύμα κβαντισμένο σε ένα βρόγχο υπεραγωγού.
Ατομικό Torus
Σε αυτή την τελευταία δουλειά ,ο Gretchen Campbell και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ και του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας χρησιμοποίησε δύο υπέρυθρες ακτίνες λέιζερ για να περιορίσει ένα BEC από άτομα νατρίου σε ένα τόρο. Χρησιμοποίησαν μια πράσινη δέσμη λέιζερ - που απωθεί το συμπύκνωμα - για να κόψει το δαχτυλίδι σε ένα σημείο (βλέπε σχήμα). Αυτή η περικοπή είναι ανάλογη με μια σύνδεση Τζόζεφσον σε ένα SQUID - η κυματοσυνάρτηση παραμένει συνεχής, αλλά τα άτομα πρέπει να διαπεράσουν τη σήραγγα.
Η ομάδα περιστρέφει στη συνέχεια το κόψιμο με λέιζερ γύρω από την σπείρα, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές την "ανάδευση" του συμπυκνώματος. Όταν το λέιζερ κινείται αργά μέσα από το BEC, τα άτομα γυρίζουν "προς τα πίσω" μέσα από την περικοπή έτσι ώστε η γωνιακή ροπή - του BEC να μην αλλάζει. Αλλά μόλις το λέιζερ πηγαίνει πάνω από μια ορισμένη ταχύτητα, το ρεύμα σήραγγας δεν επαρκεί για τη διατήρηση της στροφορμής και το συμπύκνωμα υποβάλλεται σε μια "ολίσθηση φάσης". Αυτό περιλαμβάνει άτομα σήραγγας μέσω της δοκού κατά την αντίθετη διεύθυνση, η οποία προκαλεί μια αλλαγή στην κατάσταση γωνιακής ροπής. Παρόμοιες ολισθήσεις φάσης εμφανίζονται και πάλι καθώς η ακτίνα λέιζερ επιταχύνεται περαιτέρω και το BEC μετατοπίζεται μεταξύ καταστάσεων γωνιακής ροπής.
Σε αυτή την τελευταία δουλειά ,ο Gretchen Campbell και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ και του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας χρησιμοποίησε δύο υπέρυθρες ακτίνες λέιζερ για να περιορίσει ένα BEC από άτομα νατρίου σε ένα τόρο. Χρησιμοποίησαν μια πράσινη δέσμη λέιζερ - που απωθεί το συμπύκνωμα - για να κόψει το δαχτυλίδι σε ένα σημείο (βλέπε σχήμα). Αυτή η περικοπή είναι ανάλογη με μια σύνδεση Τζόζεφσον σε ένα SQUID - η κυματοσυνάρτηση παραμένει συνεχής, αλλά τα άτομα πρέπει να διαπεράσουν τη σήραγγα.
Η ομάδα περιστρέφει στη συνέχεια το κόψιμο με λέιζερ γύρω από την σπείρα, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές την "ανάδευση" του συμπυκνώματος. Όταν το λέιζερ κινείται αργά μέσα από το BEC, τα άτομα γυρίζουν "προς τα πίσω" μέσα από την περικοπή έτσι ώστε η γωνιακή ροπή - του BEC να μην αλλάζει. Αλλά μόλις το λέιζερ πηγαίνει πάνω από μια ορισμένη ταχύτητα, το ρεύμα σήραγγας δεν επαρκεί για τη διατήρηση της στροφορμής και το συμπύκνωμα υποβάλλεται σε μια "ολίσθηση φάσης". Αυτό περιλαμβάνει άτομα σήραγγας μέσω της δοκού κατά την αντίθετη διεύθυνση, η οποία προκαλεί μια αλλαγή στην κατάσταση γωνιακής ροπής. Παρόμοιες ολισθήσεις φάσης εμφανίζονται και πάλι καθώς η ακτίνα λέιζερ επιταχύνεται περαιτέρω και το BEC μετατοπίζεται μεταξύ καταστάσεων γωνιακής ροπής.
Μέτρηση της περιστροφής
"Στο τέλος της ημέρας, η ακτίνα λέιζερ παίζει τον ίδιο ρόλο με τη διασταύρωση Josephson σε ένα SQUID," εξηγεί ο Κάμπελ. "Η μόνη διαφορά είναι ότι, δεδομένου ότι είναι ανάλογη η περιστροφή με το να έχουμε ένα μαγνητικό πεδίο, πρέπει στην πράξη να περιστρέφουμε τη δέσμη." Έτσι, εάν το ίδιο το σύστημα περιστρέφεται, το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με το να εκθέσουμε μια SQUID σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και επομένως, το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει πολύ ευαίσθητες μετρήσεις περιστροφής.
Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που μια υπερρευστό έχει χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της περιστροφής. Τα κβαντικά γυροσκόπια χρησιμοποιούν υγρό ήλιο να κάνουν εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις, για παράδειγμα, τη περιστροφή της Γης. Ο Campbell πιστεύει ότι το νέο set-up έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα γυροσκόπια υπερρευστού ηλίου. "Δεδομένου ότι οι συνδέσεις μας ακριβώς γίνονται με ακτίνες λέιζερ, μπορούμε να συντονίσουμε τις διασταυρώσεις", λέει. Αυτό θα μπορούσε να κάνει ένα γυροσκόπιο πιο ευαίσθητο, λέει, επειδή μεταβάλλοντας τη δύναμη της ακτίνας πράσινου λέιζερ επηρεάζει την κρίσιμη γωνιακή ταχύτητα με την οποία συμβαίνει μια μετατόπιση φάσης. Οι ερευνητές μελετούν τώρα με περισσότερες λεπτομέρειες πώς ακριβώς συμπεριφέρεται το συμπύκνωμα στην οπτική παγίδα, που θα τους επιτρέψει να το συντονίσουν αποτελεσματικά.
Ο φυσικός συμπυκνωμένης ύλης -Augusto Smerzi στο Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας στην Ιταλία, συμφωνεί ότι η εργασία θα μπορούσε να παράγει ενδιαφέρουσες εφαρμογές, αλλά είναι πιο προκλητικό από τις παρατηρήσεις των ερευνητών σχετικά με την κατανομή των υπερρευστών όταν το συμπύκνωμα αναδεύεται πολύ γρήγορα.Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που ανταγωνίζονται μεταξύ των για το πώς αυτό θα συμβεί, εξηγεί ο ίδιος, αλλά οι ερευνητές υποψιάζονται ότι αφορά το σχηματισμό δινών στη δομή του συμπυκνώματος που ονομάζονται τοπολογικές διεγέρσεις. "Η εργασία αυτή δίνει μια από τις πρώτες αποδείξεις του σχηματισμού αυτών των δινών, όταν η υπερρευστότητα καταρρέει", λέει.
Η έρευνα που περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας
"Στο τέλος της ημέρας, η ακτίνα λέιζερ παίζει τον ίδιο ρόλο με τη διασταύρωση Josephson σε ένα SQUID," εξηγεί ο Κάμπελ. "Η μόνη διαφορά είναι ότι, δεδομένου ότι είναι ανάλογη η περιστροφή με το να έχουμε ένα μαγνητικό πεδίο, πρέπει στην πράξη να περιστρέφουμε τη δέσμη." Έτσι, εάν το ίδιο το σύστημα περιστρέφεται, το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με το να εκθέσουμε μια SQUID σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και επομένως, το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει πολύ ευαίσθητες μετρήσεις περιστροφής.
Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που μια υπερρευστό έχει χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της περιστροφής. Τα κβαντικά γυροσκόπια χρησιμοποιούν υγρό ήλιο να κάνουν εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις, για παράδειγμα, τη περιστροφή της Γης. Ο Campbell πιστεύει ότι το νέο set-up έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα γυροσκόπια υπερρευστού ηλίου. "Δεδομένου ότι οι συνδέσεις μας ακριβώς γίνονται με ακτίνες λέιζερ, μπορούμε να συντονίσουμε τις διασταυρώσεις", λέει. Αυτό θα μπορούσε να κάνει ένα γυροσκόπιο πιο ευαίσθητο, λέει, επειδή μεταβάλλοντας τη δύναμη της ακτίνας πράσινου λέιζερ επηρεάζει την κρίσιμη γωνιακή ταχύτητα με την οποία συμβαίνει μια μετατόπιση φάσης. Οι ερευνητές μελετούν τώρα με περισσότερες λεπτομέρειες πώς ακριβώς συμπεριφέρεται το συμπύκνωμα στην οπτική παγίδα, που θα τους επιτρέψει να το συντονίσουν αποτελεσματικά.
Ο φυσικός συμπυκνωμένης ύλης -Augusto Smerzi στο Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας στην Ιταλία, συμφωνεί ότι η εργασία θα μπορούσε να παράγει ενδιαφέρουσες εφαρμογές, αλλά είναι πιο προκλητικό από τις παρατηρήσεις των ερευνητών σχετικά με την κατανομή των υπερρευστών όταν το συμπύκνωμα αναδεύεται πολύ γρήγορα.Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που ανταγωνίζονται μεταξύ των για το πώς αυτό θα συμβεί, εξηγεί ο ίδιος, αλλά οι ερευνητές υποψιάζονται ότι αφορά το σχηματισμό δινών στη δομή του συμπυκνώματος που ονομάζονται τοπολογικές διεγέρσεις. "Η εργασία αυτή δίνει μια από τις πρώτες αποδείξεις του σχηματισμού αυτών των δινών, όταν η υπερρευστότητα καταρρέει", λέει.
Η έρευνα που περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου