iPN

تحت ِ فشار و دمای بالا به نظر می رسه که  هيدروژن ابررسانا  ميشه. يعنی الکتريسيته را بدون مقاومت عبور می ده. اما ممکنه که «همزمان» مايعی بشه که بدون ِ اصطکاک جاری ميشه (يعنی ميشه ابرشاره).  اين حالت معجون ِ جديد در ژوئن امسال (۲۰۰۵) و ۲۳ سپتامبر امسال (۱۰ روز پيش) با شبيه سازی کامپيوتری پيش بينی شد.*

تحت فشار بالا (در حد ميليون اتمسفر)؛ مثل شرايط داخل سياره ی مشتری؛ هيدروژن تبديل به فلز ِ مايع می شه و اگه دمای کمی بالای صفر مطلق باشه اين مايع ِ فلزی تبديل به ابررسانا می شه. علاوه بر ابررسانايی ِ الکترونی؛ در حول و حوش دمای صفر حالت ِ ابررسانايی پروتونی هم می تونه بيرون بزنه. حالتهای الکترونی و پروتونی ممکنه دست بدست ِ هم بـِدن و ابررسانا يی رو بسازن که در اون الکترون و پروتون به نوعی حرکت می کنن که حرکت ِ بی اصطکاک ِ جرمها رو بوجود بياد و هيچ بار الکتريکی هم حرکت نکنه.

آسل ِ سودبو Asle Sudbø از دانشگاه علم و صنعت ِ ترُندهيم Trondheim در نروژ با همکاری دو فيزيک پيشه ی دانشگاه کورنل اخيرا ويژگی های جديدی از اين «حالت ِ ابرشاره ی ابررسانا» و همچنين دو حالت ِ «ابررسانای نا-ابرشاره» و «حالت ِ ابرشاره ی نا-ابررسانا» را پيش بينی کرد. آنها با شبيه سازی تشخيص دادند که همه ی اين ۳ حالت ِ هليوم همزمان با هم تشکيل می شود که جدايی ِ اين حالتها با دما و ميدان مغناطيسی خارجی هستند.

يک ميدان مغناطيسی می تواند ابررساناها را به حالت ِ پنير ِ سوئيسی ببرد Swiss cheese  که در آن حالت اين ميدان مغناطيسی خارجی به داخل ِ لوله هايی از ماده ی نا-ابررسانا نفوذ می کند. اين تيوبهای نا-ابررسانا را خطهای گردابی Vortex می نامند. دور ِ اين خطها الکترونها می چرخند.

در هليم مايعی که ابررسانای ابرشاره است؛ در دماهای پائين؛ خطهای گردابی ِ الکترون و پروتون با هم برخورد می کنند و يک شبکه ی ثابت fixed lattice تشکیل می دهند.

وقتی هيدروژن رو گرم می کنين بسته به قدرت ِ ميدان مغناطيسی دو چيز رخ ميده. در ميدان مغناطيسی ضعيف با گرم کردن گردابه های پروتونی از گردابه های الکترونی جدا ميشن. اين جدايی باعث ميشه که ابررسانايی خراب بشه و فقط ابرشارگی بمونه. اگر دما بسشتر بشه دو نوع خط ِ گردابی در هم می پيچن اما ديگه اين گردابه های مرکب روی شبکه ی ثابت ديگه نمی مونن و آزادانه حرکت می کنن که بهش ميگن «مايع ِ گردابه».

در اين حالت ديگه ماده بررسانا نيست چون جريان ِ الکتريکی تيوبهای شار مغناطيسی رو حرکت ميدن که باعث ميشه انرژی صرف بشه. مثل اينکه مقاومتی درون ماده بوجود بياد. اما هنوز ماده ابرشاره هست.

ديويد سیپرلی David Ceperly از دانشگاه ايلينويز در Urbana-Champaign گفت: «اين فاز ِ ابرشاره ی ابررسانا ميتونه خيلی جالب باشه» اما  شک دارم تو آزمايشگاه بشه حقيقتا ديدش. سوال اصلی اينه که آيا هيدروژن تو اون دما يخ ميزنه يا مايع باقی می مونه. محاسبات ِ کامپيوتری ديويد ميگه که يخ می زنه و اون مايع ِ گردابی و ... رخ نمی ده.

سودبو ميگه که به زودی آزمايش ميگه که ميشه اين حالت ِ ابرشاره ی ابررسانا رو ديد يا نه.

ديويد ليندلی

ترجمه: محمد ح. انصاری

منابع:

[1] K. Moulopoulos and N.W. Ashcroft, "Generalized Coulomb Pairing in the Condensed State," Phys. Rev. Lett. 66, 2915 (1991).
[2] E. Babaev, A. Sudbø, and N.W. Ashcroft, "A Superconductor to Superfluid Phase Transition in Liquid Metallic Hydrogen," Nature (London) 431, 666 (2004).
[3] E. Babaev, A. Sudbø, and N.W. Ashcroft, "Observability of a Projected New State of Matter: A Metallic Superfluid," Phys. Rev. Lett. 95, 105301 (2005).
[4] S. A. Bonev, E. Schwegler, T. Ogitsu, and G. Galli, "A Quantum Fluid of Metallic Hydrogen Suggested by First-Principles Calculations," Nature (London) 431, 669 (2004).

ويديو
گردابه های رقصان Dancing Vortices
در اين شبيه سازی گردابه های الکترونی (آبی) و گردابه های پروتونی (قرمز) در دمای کم و قشار بالا داخل هيليوم تشکيل ميشن. اولش فاز ابررسانای ابرشاره است. بعدش که دما زياد ميشه گردابه ها شروع به حرکت می کنن و از جای ثابتشون در شبکه جدا شده و کم کم بالاخره حالت ِ طبيعی مايع پيش مياد.MPEG 29.5 MB
MPEG 19.9 MB

___________________________________

* (اولی در Physical Review B و دومی در Physical Review Letters)  

ارديبهشت ِ سال ۱۳۸۳ بود که ابرشارگی در يک گاز ِ فرميونی در دانشگاه دوک (Duke University) توسط جان توماس ^(۱) و مايکل جم ^(۲) گزارش شد. اين پژوهشگران مشاهده کردند که يک گاز فوق سردِ اتمهای ليتيم-۶  مثل ِ يک تکه ژله ی گنده ارتعاش پيدا می کند.

اين رفتار ِ ژله-مانند (هيدروديناميکی) در شرايط معمولی هم در گاز ِ فوق سرد ِ ليتيم مشاهده می شود اما اين پژوهشگران دريافتند که تخت ِ شرايطی که آنها بوحود آوردند گاز ِ آنها تبديل به يک ابرشاره شده و مثل ِ يک تکه ژله ی «کامل» اگر کمی لزرانده شود برای مدت طولانی ارتعاشاتش از بين نمی رود!

اينکه می توان به دقت خصوصيات ِ چنين ژله ی اتمی ای را در آزمايشگاه بررسی کرد اطلاعات بسياری راجع به سيستمهای ابرشاره ی ديگری چون ستاره های نوترونی که قابل دسترس نيستند فراهم می آورد. همچنين بررسی ژله ی اتمی می تواند حتا نشان دهد که آيا از نظر فيزيکی درست کردن ِ ابررسانايی که در دمای اتاق به خوبی کار می کند ممکن است يا خير. اگر ابررسانای گرم درست شود انرژی ِ زيادی در صنعت ذخيره می شود. 

بسياری از سيستمها مانند ِ پلاسمای کوارک-گلوئون یا نوترونهای ستاره های نوترونی  از جفتهای برهم کنشی ِ قدرتمند ِ ذرات ِ اسپين ِ بالا و اسپين ِ پايين ساخته شده اند. (اسپين بالا/پايين مشابه ِ اتمهايی که مغناطش ِ بالا/پايين دارند است.)

اين پژوهشگران باور دارند که برای خلق ِ اين ابرشاره از اتنهای ليتيم-۶ اين اتنها در حالت ِ مرموز ِ همگذری (cross-over regime) بودند که حالتيست که در آن جفتهای اتمی نه مولکولند (که در آن حال بتوانند چگالش ِ بوز-انشتين Bose-Einstein condensate را شکل دهند) و نه از نوع ِ جفتهای کوپر ِ معروف در ابررسانايی هستند که بصورت ِ ضعيفی به هم وصل باشند.

آنها در اين آزمايش اتمهای ليتيم-۶ را سرد کرده و با پرتو ِ ليزر ِ متمرکزی که ميدان الکتريکی اش اتمها را محدود (confine) می کند؛ اتمهای ليتيم را به دام انداختند. آنها مطمئن شدند که اتنمهای مورد نظر در وضعيت ِ ۵۰٪ اسپين بالا و ۵۰٪ پايين هستند. سپس آنها سيستم ِ نوری ِ خود را برای پايين آوردن دمای اتمها بروش ِ «سرمايش ِ تبخيری evaporating cooling» روی اتمها به کاز انداختند تا اجازه دهند که اتمهای داغتر فرار کنند و دمای مجموعه پايين بيايد.

بعد آنها توانايی ِ لرزش ِ ژله مانند ِ اين گاز ِ سرد شده را بررسی کردند. برای اينکار آنها ليزر ِ بدام اندازده را برای مدت ِ کوتاهی خاموش کردند و اجازه دادند که گاز منبسط شود و بعد دوباره ليزر را روشن کردند. در آن لحظه گاز ِژله مانند تکانی می خورد و پژوهشکران يک سری عکس از لرزش انداختند. آنها فرکانس ِ لرزش و طول عمر ِ آن لرزش را اندازه گرفتند.

لرزش ِ ابر ِ مافوق ِ سرد ِ ليتيم-۶. محققان دريافتند که لرزش در اين گاز برای مدت ِ طولانی پايدار می ماند و مانند ابرشاره عمل می کند.(منبع)

يکبار آنها ميدان مغناطيسی را طوری تنظيم کردند که اتمها قويا با هم برهمکنش کنند. در اين حالت فرکانس ِ لرزشی ِ ۲۸۳۷ Hz ثبت شد که در توافق با پيش بينی نظری ِ ۲۸۳۰ Hz برای يک گاز ِ هيدروديناميک ِ فرمی است.

در يک گاز هيدروديناميک ِ معمولی دمای پايين تر باعث می شود که لرزش يا ارتعاش ميرا و ميراتر شود و از بين برود. انا در اين آزنايش با کاهش ِ دمای گاز  لرزش يا ارتعاش ِ طولانی تر می شود که بر خلاف ِ انتظار از يک گاز ِ هيدروديناميک ِ معمولی است.

بنابراين فيزيکدانان ِ دانشگاه ِ دوک حدس زدند که حالت ِ ابرشارگی رخ داده است. آنها اين خالت زا در دماهای زير ِ ۴/۰ ميکروکلوين مشاهده کردند. اين در حاليست که هنوز نظريه ای که چنين دمايی را توجيه کند وجود ندارد. (منبع)

۱۲ روز پيش يعنی ۲۸ تير ۱۳۸۴:

وجود ِ گردابه هايی در اين ابرشاره ی جديد مشاهده شد. گردابه ها از خصوصيات ِ منحصر بفرد ِابرشارگی هستند و در آنها بايد رؤيت شوند.

ولفگانگ کِتِرل Wolfgang Ketterle و همکارانش در آزمايشگاهی در MIT (انستيتو تکنولوژی ماساچوست)  با ليزر اتمهای چاييده (chilled atoms) ابرشاره را نگه داشتند و گردابه ها بيرون زدند.

بطور کلی؛ رفتار کوانتونی بوزونها و فرميون ها بسيار متفاوت است. در واقع گاز ليتيم-۶ دومين ابرشاره ی فرميونی ای است که شناخته شده است. (اولينش مايع هليون ۳ بود که خاصيت ِ ابرشارگی داشت.) در واقع ابررسانايی هم در واقع يک حالت ِ خاص ِ ابررسانايی ِ فرميونی است. در اين آزمايش اجزا اصلی ذرات ِ بی بار هستند. اما در ابررسانايی اجزا اصلی ذرات ِ باردار -الکترونها- هستند. (منبع)

 گاز فوق سرد ِ ليتيم اولين «ابرشاره ی دمای بالا» است. اگر نرخ دمای بحرانی T_c (که در آن انتقال به ابرشاره ممکن می شود) به دمای فرمی T_f (دمای ِ داغترين مولکول در گاز) را در نظر بگيريم؛ در ابررساناهای معمولی T_c/T_f حدود ِ ^۴-۱۰ است و برای ابرشاره ی هليوم-۳ حدود ِ ^۳-۱۰ است. اين نرخ برای ابررسانای دمای بالا ^۲-۱۰ و برای ابرشاره ی جديد ليتيم-۶ حدود ِ ۳/۰ است.

(منبع: نيچر ۲۳ ژوئن ۲۰۰۵ مقاله ی زولين Zwierlein et. al).

گردآوری و ترجمه: محمد حسين انصاری

ــــــــــــــــــــــــــــــــ

(۱)  John Thomas (تلفن: ۲۵۰۸-۶۶۰-۹۱۹؛ ايميل: jet@phy.duke.edu)

(۲)  Michael Gehm (تلفن: ۵۰۰۳-۴۰۳-۹۱۹ ايميل: mgehm@ee.duke.edu)

شکل زير نوری را نشان ميدهد که مقادير متفاوتی از تکانه ی زاويه ای چرخشی را می تواند حمل کند. اين رفتار تازه از اين به بعد ميتواند يک خصيصه ی جديد برای نور باشد. با اين رفتار نور می تواند داده ها را انتفال دهد.

قصه اينگونه است:

«گردابه های نوری optical vortices» ممکن است حامل اطلاعات زيادی از ماده ای که از آن خارج می شوند باشند. اين نظريه را يک گروه اسپانيايی-آمريکايی ارائه کردند.

يک پرتو نور معمولی وقتی از جلو ديده شود يک دايره ی روشن است. اما نورهای خاصی هستند بنام «گردابه ی نوری» که وقتی از جلو ديده ميشوند  مثل يک حلقه ی نورانی دور ِ يک منطقه ی تاريک مرکزی هستند. (شکل زير)

شکل ۱- عکس فوری از یک گردابه نوری که در آن منطقه ی تاريک مرکزی با رنگ آبی نشان داده شده. يک گروه بارسلونی-آريزونايی برای اولين بار اين نور را کشف کردند. وقتی انرژی نوری حرکت مارپيچی به دور يک سوراخ گردابی انجام دهد (بالا-چپ)  کم کم تمايل پيدا ميکند که جهت حرکتش را عوض کند (چيزی که هرگز در گردابه های آبی يا طوفانها مشابه ندارد). در شکل بالا-راست می بينيد که تقارن دايروی از بين ميرود و پرتو به بيضی ِ کشيده ای تبديل می شود و کم کم (پايين-راست) نور در جهت عکس گردابه ی آبی مرکز را دور ميزند.

شکل ۲- دور ِ قلب ِ گردابه؛ شارش ِ انرژی حمل شونده در پرتو نوری مثل يک پله برقی مارپيچی است که ساعتگرد يا پادساعتگرد می چرخد.

شکل ۳- اگر پرتو ليزر را به داخل يک ماسک هولوگرافی طراحی شده توسط کامپيوتر بفرستيم؛ گردابه ی نوری درست می شود. ماسک هولوگرافی ديگه چيه؟ يک فيلم نازک (يک الگوی تداخلی) از يک سری نوار تاريک و روشنه. اين الگوی تداخلی (هولوگرام) کشيده شده در اين شکل بالا نور ليزر را به تعداد زيادی طول موج مختلف می شکافد و باعث می شود که پرتوی با يک گردابه ايحاد شود.

شکل ۴- چگونه يک گردابه ی نوری چرخشش را برعکس می کند؟ پرتو نوری در جهت افقی z حرکت می کند و قبلا در داخل دستگاه آبی رنگ بالا به هولوگرام در راستای صفحه ی xy برخورد کرده و وقتی بيرون می آيد ديگر يک پرتو گردابه ی نوری است. به عدسی برخورد می کند. کم کم پخ می شود و کم کم جدا می شود. انرژی در آخر سر دور منطقه ی گردابه در جهت عکس ِ اول حرکت می کند. (اطلاعات بيشتر در Molina-Terriza, Recolons, Torres, Torner, Wright - 12 july 2005)

`پرتوهای گردابه ی نوری ساده ترين نوع پرتو هستند که تکانه ی زاويه ای چرخشی حمل می کنند. (منبع) 

اين پرتوها از سال ۱۹۹۰ تا حالا خيلی خوب مطالعه شده اند. اين پرتوها وقتی از بغل مشاهده بشوند مثل فنری هستند که فازهای يکسانشان در شکل اول اين گزارش با رنگهای يکسان نشان داده شده است. اين پيچش در نور مثل يک درجه ی آزادی اضافه است که محققان می توانند از آن برای انتقال داده ها و بازگشايی داده ها استفاده کنند.

در نور معمولی انرژی در راستای حرکت پرتو انتقال پيدا می کند؛ اما در نور ِ تکانه ی زاويه ای چرخشی دار يا تزچن*  پرتوی های نوری ِ انرژی دور ِ محور ِ حرکت ِ پرتو حرکت ِ مارپيچی دارد.

اگر يک پرتو معمولی نوری را قطبی (polarize) کنيم می تواند تکانه ی زاويه ای اسپينی (Spin angular momentum)   حمل کند. حالتهای نور ِ قطبيده دوتاست: يا نور ِ چپ-دست و راست-دست (ميتوان اينطور هم گفت: نور عمودی vertical و افقی horizontal). اما برای نوری که تزچن ِ غيرصفر دارد حالتهای بسيار بسيار بيشتری ممکن است. حالتهای بالاتر مثل اينست که فنرهای فشرده تری هستند و بنابراين انرژی چرخشی بيشتری دارند. پی می توان با برهم نهی اين نورها روی هم اطلاعات بسیار بيشتری را کد کرد.

پژوهشگران اين حالتهای تزچن ِ مختلف را «طيف ِ چرخشی spiral spectra» نام نهادند. اين طيف می تواند به نايکنواختی های (non-uniformity) هندسی و شرايط ساختاری ِ اشيا حساس باشد و می تواند در آشکارسازی های شيميايی و زيست شناسی کمک کند. همچنين به افزايش ميزان داده روی لوح فشرده CD کمک کند.

۷ فوريه ی ۲۰۰۵

منبع Optics Express 

برای اطلاعات بيشتر تماس بگيريد با لوئيس ترنر Louis Torner در وب سايت icfo

 برای آشنايی بيشتر مجله ی فيزيک امروز Physics Today شماره ی می ۲۰۰۴ را ببينيد و دانشمند ِ نو New Scientist  شماره ی ۱۲ ژوئن ۲۰۰۴. توجه: اگر در دانشگاهی نيستيد و به مقالات اين دو مجله دسترسی نداريد و بسيار به اين موضوع علاقه داريد می توانيد مستقیما با من تماس بگيريد تا مقالات را برايتان بفرستم.

ترجمه از: محمد ح. انصاری

متن اصلی

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

* OAM مخفف Orbital Angular momentum است؛ به مخفف فارسی می شود تزچن يعنی تکانه ی زاويه ای چرخشی نوری) اگر دوستش نداريد بحای تزچن از OAM استفاده کنيد.

منبع: اخبار خرمی

ـــــــــــــــــــــــ

* قابل توجه تمام نويسندگان iPN: لطفا قوانين را مرور کنيد.

* قابل توجه خوانندگان iPN :iPN روی سرور رايگان پرشين بلاگ نوشته می شود و کسی به جز سازنده ی آن نمی تواند آنرا پاک کند.

انصاری (تماس مستقيم)