Άρθρα

Το άτομο του ηλίου-3 (³He) διαθέτει δυο ηλεκτρόνια και ο πυρήνας του αποτελείται από δυο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Το ήλιο-4 (⁴He) διαφέρει από το ³He γιατί περιέχει στον πυρήνα του ένα παραπάνω νετρόνιο. Μια άλλη διαφορά είναι ότι το ⁴He είναι μποζόνιο, ενώ το ³He φερμιόνιο.

Τι είναι τα μποζόνια και τι τα φερμιόνια; Μποζόνια είναι τα σωματίδια με ακέραιο σπιν (s=0, 1, 2,…) που περιγράφονται από συμμετρικές κυματοσυναρτήσεις και φερμιόνια τα σωματίδια με ημιακέραιο σπιν (s=1/2, 3/2,…) που περιγράφονται από κυματοσυναρτήσεις που είναι αντισυμμετρικές ως προς την εναλλαγή των μεταβλητών τους. Τα Φερμιόνια είναι τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και γενικότερα όλα τα σωματίδια που αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους της ύλης. Yπενθυμίζεται ότι τα φερμιόνια υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli – αλλιώς δεν θα υπήρχαν ούτε πολυηλεκτρονικά άτομα ούτε οι πυρήνες τους. Αντίθετα, τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων, όπως τα φωτόνια, είναι μποζόνια. Και πρέπει να είναι μποζόνια ώστε να μην υπακούουν στην αρχή Pauli για να είναι δυνατή η συνύπαρξή τους στην ίδια κβαντική κατάσταση, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία ενός μακροσκοπικού κυματικού φαινομένου. Έτσι, ενώ τα φερμιόνια «απεχθάνονται να συνευρίσκονται μεταξύ τους» , τα μποζόνια «αρέσκονται να συνυπάρχουν το ένα πάνω στο άλλο» . Επιπλέον, τα φερμιόνια ακολουθούν την στατιστική Fermi-Dirac και τα μποζόνια ακολουθούν την στατιστική Bose-Einstein. 

Ο Pyotr Kapitsa, και ανεξάρτητα, οι Don Misener και John Allen, ήταν οι πρώτοι που παρατήρησαν την υπερρευστότητα στο ήλιο-4. Σε θερμοκρασία 2,2 Κelvin, το υγρό ήλιο άρχισε ξαφνικά να συμπεριφέρεται περίεργα, ρέοντας χωρίς εσωτερική τριβή (ιξώδες). Η κατάσταση θύμισε στον Kapitsa έναν υπεραγωγό, και έτσι το ονόμασε «υπερρευστό».

Συνολικά το σπιν του ⁴He είναι ακέραιος αριθμός και έτσι συμπεριφέρεται ως μποζόνιο. Οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν γρήγορα ότι το υγρό ήλιο-4 ήταν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein και οι ιδιότητες του υγρού ηλίου κάτω από την θερμοκρασία των 2.2 Κ είναι αποτέλεσμα της «συμπύκνωσης» των ατόμων του ηλίου στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση δημιουργώντας μια ροή χωρίς ιξώδες.

Τότε όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, κι αυτό εμφανίζεται στην συμπεριφορά τους ως μια μορφή «συνεργασίας» προκαλώντας τις εξωτικές ιδιότητές της υπερρευστότητας. Δεν είναι τίποτε άλλο παρά άλλη μια εκδήλωση των ιδιομορφιών της κβαντικής στον μακρόκοσμο.

Στάλιν και Υπερρευστότητα: Ο μεγάλος φυσικός Lev Davidovich Landau το 1938 είχε φυλακιστεί με την κατηγορία της κατασκοπίας εναντίον της Σοβιετικής Ένωσης. Στην πραγματικότητα όμως φυλακίστηκε εξαιτίας της κριτικής που τόλμησε να ασκήσει προς το σταλινικό καθεστώς. Χρειάστηκε η άμεση παρέμβαση του Pyotr Kapitsa, του καλύτερου Σοβιετικού πειραματικού φυσικού εκείνης της εποχής, απευθείας στον Στάλιν, για να ελευθερωθεί ο Landau. O Kapitsa υποστήριξε ότι ο νεαρός φυσικός ήταν ο μόνος Σοβιετικός επιστήμονας που είχε την ικανότητα να εξηγήσει το μυστήριο της υπερρευστότητας και να αποδείξει έτσι, την υπεροχή της σοβιετικής επιστήμης. Ο Landau ελευθερώθηκε και όντως κατόρθωσε να δώσει την θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου της υπερρευστότητας, για την οποία βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1962.

Ενώ το ζήτημα με την υπερρευστότητα του ηλίου-4 είχε ξεκαθαριστεί, οι φυσικοί αναρωτήθηκαν αν και το ήλιο-3, θα μπορούσε επίσης να γίνει υπερρευστό. Ας σημειωθεί ότι το ήλιο-3 έχει ημιακέραιο σπιν και συμπεριφέρεται ως φερμιόνιο, Όμως η σχετική έρευνα σταμάτησε έως ότου διατυπώθηκε το 1957 η θεωρία της υπεραγωγιμότητας Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, αρκετές ομάδες ερευνητών πρότειναν υποθετικές υπερρευστές καταστάσεις ηλίου-3 εμπνευσμένες από την θεωρία BCS. Ο Lev Pitaevskii έδειξε πώς τα ζεύγη Cooper ατόμων ηλίου-3 θα ήταν ουσιαστικά διαφορετικά από τα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper. Στη συνέχεια ήρθαν δύο μοντέλα-ένα από τον Philip Anderson και τον Pierre Morel και ένα άλλο από τους Roger Balian και N. Richard Werthamer (και ανεξάρτητα από τον Yuri Vdovin) – που θα καταλήξουν και τα δύο να περιγράφουν με ακρίβεια δύο διαφορετικές καταστάσεις υπερρευστού ηλίου-3.

Η πρόκληση για τους πειραματιστές ήταν πλέον να ψύξουν το ήλιο-3 ώστε να πραγματοποιήσουν πειραματικά την μέχρι τότε θεωρητική φάση υπερρευστότητας. Ένα βασικό εμπόδιο ήταν η δυσκολία απόκτησης μεγάλης ποσότητας ηλίου-3, η οποία προέκυπτε από την αργή διάσπαση του τριτίου (³Η) που παραγόταν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ένα άλλο πρόβλημα ήταν να επιτευχθεί η απαραίτητη ψύξη του ηλίου-3.

Γενικά, η στερεά φάση έχει χαμηλότερη εντροπία από την υγρή φάση και επομένως λιώνει όταν θερμαίνεται. Το 1950, ο Isaac Pomeranchuk πρότεινε ότι θα ίσχυε το αντίστροφο για το υγρό ήλιο-3 κάτω από θερμοκρασία 0,3 Κelvin. Η εντροπία της στερεάς φάσης θα ήταν υψηλότερη από την υγρή φάση, επομένως συμπιέζοντας την υγρή φάση προς την στερεή θα την ψύξει. Δεκαπέντε χρόνια αφότου προτάθηκε το εν λόγω φαινόμενο, οι φυσικοί άρχισαν να το εφαρμόζουν για να ψύξουν το ήλιο-3 σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες στα επονομαζόμενα κύτταρα Pomeranchuk.

Μέχρι το 1970, οι φυσικοί είχαν ξοδέψει ολόκληρες δεκαετίες ψάχνοντας για κάποια επιπλέον μετατροπή φάσης του ηλίου-3. Σύμφωνα με τον David Lee, «επικράτησε μια διάθεση ζοφερότητας και απαισιοδοξίας». Στο Cornell, ο Lee, ο Robert Coleman Richardson και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Douglas Osheroff ήταν μέρος μιας μικρής ομάδας που ήταν έτοιμη να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη που το 1996 θα τους χάριζε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

Ο Lee γιος ηλεκτρολόγου μηχανικού και δασκάλου δημοτικού, γεννήθηκε το 1931 και μεγάλωσε στην πόλη της Νέας Υόρκης. Κατά τη διάρκεια του κολλεγίου σκέφτηκε μια καριέρα στην ιατρική, αλλά επέλεξε τη φυσική επειδή βρήκε τα μαθήματα βιολογίας βαρετά. Ο Osheroff, γεννήθηκε το 1945 και προερχόταν από οικογένεια γιατρών αλλά απεχθανόταν το αίμα και επομένως το ιατρικό επάγγελμα. Ο  Richardson, γεννημένος το 1937, αν και ως παιδί δεν είχε «κανένα ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον», τελικά κατέληξε να πάρει διδακτορικό στη φυσική. Το 1971, ενώ ο Osheroff ανάρρωνε από έναν τραυματισμό του στο σκι, σκέφτηκε ένα νέο τρόπο στο κύτταρο Pomeranchuk που θα επέτρεπε την παρακολούθηση μικρών αλλαγών στην πίεση τήξης που είναι ενδεικτικές μιας μετατροπής φάσης.

Ο Osheroff διαπίστωσε ότι η γραφική παράσταση της πίεσης κατά την διάρκεια ενός κύκλου ψύξης και θέρμανσης του ηλίου-3 είχε δύο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στο ανέβασμα (Α και Β) και δύο στο κατέβασμα (Α’ και Β’). Αυτές οι διαφοροποιήσεις ήταν μικρές, αλλά ενδεικτικές μιας μετατροπής φάσης. «Και οι τρεις βρεθήκαμε σε κατάσταση ευφορίας γνωρίζοντας ότι βρισκόμασταν στα πρόθυρα μιας σημαντικής ανακάλυψης», έγραψε ο Lee. Ωστόσο, επειδή το κύτταρο περιείχε τόσο υγρό όσο και στερεό ήλιο-3, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η μετάβαση συνέβαινε στο στερεό ήλιο-3 και τον Απρίλιο του 1972, δημοσίευσαν στο περιοδικό Physical Review Letters ένα άρθρο με τίτλο «Evidence for a New Phase of Solid He-3» .

Για να κατανοήσει καλύτερα την φύση της μετάβασης, η ερευνητική ομάδα του Cornell (με την προσθήκη του Willy Gully) χρησιμοποίησε μια από τις πρώτες εφαρμογές απεικόνισης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), για να παρατηρήσει πού γινόταν η αλλαγή φάσης στην διάταξη Pomeranchuk. Το στερεό και το υγρό ήλιο έχουν διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες, οι οποίες εμφανίζονται καθαρά στο NMR. Κάποιο πρωινό, ο Osheroff είδε τα αποτελέσματα του NMR και κάλεσε αμέσως τον Lee για να του ανακοινώσει ότι τελικά η μετατροπή φάσης συνέβαινε στο υγρό ήλιο. Οι ερευνητές λοιπόν ήταν πρόθυμοι να διορθώσουν την πρώτη τους εργασία και υπέβαλαν ένα δεύτερο χειρόγραφο στο περιοδικό PRL. Κατά ειρωνικό τρόπο, το χειρόγραφο απορρίφθηκε αρχικά από έναν κριτή. Η δεύτερη υποβολή έγινε αποδεκτή και δημοσιεύθηκε τον Οκτώβριο του 1972 με τίτλο «New Magnetic Phenomena in Liquid He³ below 3 mK«

Μια θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου εμφανίστηκε γρήγορα από τον Anthony Leggett, έναν θεωρητικό συμπυκνωμένης ύλης στο Sussex. Ο Leggett γεννήθηκε το 1938 και μεγάλωσε στο Λονδίνο. Κέρδισε μια υποτροφία στην Οξφόρδη, όπου πήρε το πρώτο του πτυχίο στην κλασική φιλολογία(!), και στη συνέχεια αποφάσισε σπουδάσει φυσική. Τον Ιούλιο του 1972, ο Leggett έκανε διακοπές στη Σκωτία όταν άκουσε ότι ο Richardson θα επισκεπτόταν το Sussex και ήθελε να μιλήσει μαζί του. Ακυρώνοντας τα σχέδιά του, συναντήθηκε με τον Richardson, ο οποίος του εξήγησε τα πρόσφατα δεδομένα της ανάλυσης NMR.

Ο Leggett εντυπωσιάστηκε από το πόσο άλλαξε η συχνότητα Larmor του υγρού ηλίου στη μετάβαση Α. Θα μπορούσε να εξηγηθεί από την παρουσία ενός πρόσθετου μαγνητικού πεδίου περίπου 30 Gauss που ασκούσαν τα άτομα ηλίου το ένα πάνω στο άλλο. Όμως αυτό ήταν αδύνατον γιατί ακόμη και στην απόσταση του πλησιέστερου ατόμου, το μέγιστο μαγνητικό πεδίο που μπορούσε να ασκήσει ένα άτομο σε ένα άλλο ήταν μικρότερο από 1 Gauss. Ο Leggett έγραψε αργότερα ότι «η αρχική μου αντίδραση σε αυτά τα αποτελέσματα ήταν πως ήταν τόσο ασυνήθιστα που ίσως προέκυπταν εξαιτίας της κατάρρευσης κάποιας θεμελιώδους αρχής της κβαντικής μηχανικής. Έχοντας αυτό κατά νου, ξεκίνησε να αποδείξει ότι η μετατοπισμένη απόκριση στο NMR απλά δεν θα μπορούσε να συμβεί.

Αντ’ αυτού, κατέληξε να εξηγήσει το φαινόμενο, εισάγοντας το αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας σύζευξης σπιν-τροχιάς. Πώς μπορούν οι ασθενείς διπολικές ροπές ζευγών ατόμων ηλίου να συνωμοτήσουν ώστε να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο 30 Gauss; Η απάντηση του Leggett ήταν ότι, όπως σε έναν σιδηρομαγνήτη, τα σπιν αναγκάζονται να ευθυγραμμιστούν – στην μετάβαση Α, κάθε ζευγάρι Cooper θα έπρεπε να αποφασίσει μαζί για το αν θα προσανατολιστεί παράλληλα ή κάθετα. Στην εργασία του, ο Leggett κατέληξε στο συμπέρασμα ότι «Αν η υπόθεση είναι σωστή, θα πρέπει να περιμένουμε ότι το υγρό ³He στη φάση ΙΙ θα δείξει όλα τα φαινόμενα (υπερρευστότητα κ.λπ.) που προβλέπονται για μια φάση τύπου BCS».

Επιπλέον έρευνα επιβεβαίωσε τα ευρήματα του 1972: το υγρό ήλιο-3 ήταν ένα πραγματικό υπερρευστό, με όλες τις μακροσκοπικές κβαντικές παραδοξότητες και με όχι μία ή δύο, αλλά τρεις φάσεις. Οι Lee, Osheroff, και Richardson θα κέρδιζαν το βραβείο Νόμπελ το 1996 και ο Leggett θα ακολουθούσε το 2003.

Περισσότερες Πληροφορίες: https://www.aps.org/publications/apsnews/202110/history.cfm