Магнетизм газа
http://www.membrana.ru/lenta/?9663
Физики впервые поймали магнетизм в газе
21 сентября 2009
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.)
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 учёныеразобрались в процессах, сопутствующих появлению колоссального магнитного сопротивления.
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.).
Источник: Science
Science 18 September 2009:
Vol. 325. no. 5947, pp. 1521 - 1524
DOI: 10.1126/science.1177112
REPORTS
Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms
Gyu-Boong Jo,1,* Ye-Ryoung Lee,1 Jae-Hoon Choi,1 Caleb A. Christensen,1 Tony H. Kim,1Joseph H. Thywissen,2 David E. Pritchard,1 Wolfgang Ketterle1
Can a gas of spin-up and spin-down fermions become ferromagnetic because of repulsive interactions? We addressed this question, for which there is not yet a definitive theoretical answer, in an experiment with an ultracold two-component Fermi gas. The observation of nonmonotonic behavior of lifetime, kinetic energy, and size for increasing repulsive interactions provides strong evidence for a phase transition to a ferromagnetic state. Our observations imply that itinerant ferromagnetism of delocalized fermions is possible without lattice and band structure, and our data validate the most basic model for ferromagnetism introduced by Stoner.
1 Massachusetts Institute of Technology–Harvard Center for Ultracold Atoms, Research Laboratory of Electronics, Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.
2 Department of Physics, University of Toronto, Toronto, Ontario M5S1A7, Canada.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: gyuboong@mit.edu
The editors suggest the following Related Resources on Science sites:
In Science Magazine
PERSPECTIVES
PHYSICS
Itinerant Ferromagnetism with Ultracold Atoms
Wilhelm Zwerger (18 September 2009)
Science 325 (5947), 1507. [DOI: 10.1126/science.1179767]
In ScienceNOW
Magnetized Gas Points to New Physics
Adrian Cho (18 September 2009)
ScienceNOW 2009 (918), 1.
THIS ARTICLE HAS BEEN CITED BY OTHER ARTICLES:
Itinerant Ferromagnetism with Ultracold Atoms.
W. Zwerger (2009)
Science 325, 1507-1509
PHYSICS
Itinerant Ferromagnetism with Ultracold Atoms
Wilhelm Zwerger
Science 18 September 2009: 1507-1509.
Cold lithium atoms undergoing strong repulsions can be driven into a state that is an analog of ferromagnetic ordering.
Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms
Gyu-Boong Jo, Ye-Ryoung Lee, Jae-Hoon Choi, Caleb A. Christensen, Tony H. Kim, Joseph H. Thywissen, David E. Pritchard, and Wolfgang Ketterle
Science 18 September 2009: 1521-1524.
Ferromagnetic ordering forms spontaneously in an ensemble of ultracold fermionic atoms.
Condensed Matter > Quantum Gases
Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms
Gyu-Boong Jo, Ye-Ryoung Lee, Jae-Hoon Choi, Caleb A. Christensen, Tony H. Kim,Joseph H. Thywissen, David E. Pritchard, Wolfgang Ketterle
(Submitted on 16 Jul 2009)
Can a gas of spin-up and spin-down fermions become ferromagnetic due to repulsive interactions? This question which has not yet found a definitive theoretical answer was addressed in an experiment with an ultracold two-component Fermi gas. The observation of non-monotonic behavior of lifetime, kinetic energy, and size for increasing repulsive interactions provides strong evidence for a phase transition to a ferromagnetic state. It implies that itinerant ferromagnetism of delocalized fermions is possible without lattice and band structure and validates the most basic model for ferromagnetism introduced by Stoner.