Физики впервые поймали магнетизм в газе

Аспирант Чо Кюбоонь (Gyu-boong Jo) выравнивает положение лазерного луча. Кстати, установка, на которой учёные проводили нынешние исследования, использовалась также для открытия конденсата Бозе-Эйнштейна (Bose–Einstein condensate) (фото Patrick Gillooly).

Учёные из США и Канады решили объединиться для решения важной задачи: моделирования ферромагнетизма в газе. Им удалось заставить газ вести себя как металл, при этом они доказали, что материалу не обязательно иметь кристаллическую структуру для проявления намагниченности.

Ферромагнетики, находясь ниже определённой температуры, сильно намагничиваются даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Годами учёные пытались теоретически объяснить, почему это происходит.

Ясно, что в кристаллической решётке железа, никеля и других магнитных материалов «обитают» электроны, каждый из которых представляет собой как бы маленький магнит. При определённой температуре неспаренные электроны начинают спонтанно выравниваться в одном и том же направлении, образуя домены, в которых все спины электронов смотрят в одну сторону. Но почему происходит выравнивание внутри домена?

Объяснение в 1930-х годах предложил британский теоретик Эдмунд Клифтон Стонер (Edmund Clifton Stoner). Он предположил, что выравнивание электронов (при сильном отталкивании) приводит к понижению общей энергии, а заодно построил простую математическую модель всех взаимодействий. Однако как доказать, что модель и вправду имеет право на существование?

На этой диаграмме показан переход в ферромагнитное состояние в газе из фермионов в периодическом кристалле (показан голубым вверху) и в отсутствие структуры (внизу). По мере увеличения сил отталкивания между фермионами (красные сферы) начинает проявляться выравнивание в одном направлении (иллюстрация Gyu-boong Jo).

Можно попробовать смоделировать магнитное поведение электронов в газе (ведь в металле электроны тоже ведут себя как газ). Вместо электронов было предложено использовать другие фермионы, однако никто так и не смог создать соответствующую систему.

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) попробовали воспроизвести процесс выравнивания с помощью облачка ультрахолодных атомов лития-6. Этот элемент вполне подходит на роль модели облака электронов, так как состоит из нечётного числа фермионов, а значит, и сам считается составным фермионом. Атомы лития-6 также ведут себя как маленькие магниты, которые могут выравниваться (однако в природе этого не происходит, взаимодействие недостаточное).

Учёные поймали противоположно вращающиеся атомы лития инфракрасным лазером и охладили их до несколько миллиардных долей кельвина, то есть практически до абсолютного нуля. Приложив магнитное поле, они заставили их всё сильнее отталкиваться друг от друга.

Провести такой эксперимент было непросто, так как два атома так и норовили столкнуться и образовать молекулу. Тем не менее физикам удалось разглядеть три признака выравнивания атомов в газе с последующим намагничиванием незримой субстанции.

Во-первых, когда сила отталкивания достигла некоторого критического значения, скорость образования молекул резко возросла, а затем столь же резко упала. Значит, атомы начали выравниваться и избегать друг друга. Во-вторых, кинетическая энергия газа, как и ожидалось, стала возрастать. И наконец, размеры облачка достигли апогея в момент критического отталкивания. (Подробности – в пресс-релизе института.)

Вверху компонент облачка, пойманный при 812 g, внизу – он же спустя 4,5 миллисекунды, когда поле было отключено и произошло баллистическое расширение. Размеры наблюдаемого участка 840 на 550 микрометров (иллюстрации Ketterle et al.).

Из-за того что проводивший опыт Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) и его коллеги не смогли напрямую наблюдать доменную структуру газа (что, несомненно, стало бы неопровержимым доказательством ферромагнетизма), многие исследователи поставили под сомнение сделанные ими выводы.

Однако что бы ни происходило в эксперименте, другого приемлемого теоретического объяснения происходящему всё равно пока не существует. Детально разобраться во всех тонкостях исследования можно, прочитав статью авторов в журнале Science (препринт статьи также можно посмотреть на сайте arXiv.org).

Читайте также о том, как учёные разобрались в  процессах, сопутствующих появлению колоссального магнитного сопротивления.



Впервые пойманы перепрыгивающие атомы в твёрдом теле

18 сентября 2009

Противоположные заряды могут отталкиваться

18 сентября 2009

Физики расшифровали структуру цемента

15 сентября 2009

Звёзды-детекторы помогут учёным ухватить неуловимые волны

15 сентября 2009

Учёные хотят создать вирус Шрёдингера

14 сентября 2009