Niezwykła zmiana fazy w germanie

Fizycy z Oak Ridge National laboratory, University of Tennessee i niemieckiego GSI Darmstadt jako pierwsi opisali niezwykłe przejścia fazy w jądrze atomu. Uczeni wykorzystali superkomputer Jaguar do badania izotopu germanu-72.

W świecie makro często jesteśmy świadkami zmian fazy. Na przykład woda może występować w trzech różnych fazach, które są zależne od temperatury i ciśnienia. Jednak w świecie kwantowym zmiany takie są znacznie bardziej subtelne.

German-72 ma 32 protony i 40 neutronów. Te 40 neutronów w niskiej temperaturze, gdy atom jest w spoczynku, jest ze sobą silnie powiązanych. Jednak wraz ze wzrostem temperatury lub ruchu atomu wiązania stają się słabsze.

Amerykańsko-niemiecki zespół odkrył, że zależność pomiędzy siłą wiązań, a temperaturą i ruchem nie jest prosta. Okazało się bowiem, że gdy atom szybko się porusza, to w miarę wzrostu temperatury wiązania między protonami słabną, następnie w małym przedziale temperatur wzmacniają się, by ponownie zacząć słabnąć wraz z rosnącą temperaturą. Ten moment, w którym siła wiązań przez chwilę się zwiększa, sygnalizuje przejście fazowe.

Ta zmiana fazy bierze się z wiązań, ruchu obrotowego i temperatury. My zaobserwowaliśmy, że przy najszybszym ruchu obrotowym istnieje taka temperatura, przy której wiązania się wzmacniają. To było interesujące - mówi Hai Ah Nam z ORNL. Uczona dodaje, że odkrycie to staje się szczególnie interesujące, gdy uświadomimy sobie, że taka zmiana fazy przypomina proces zachodzący w nadprzewodnikach ferromagnetycznych, gdzie elektrony poniżej pewnej krytycznej temperatury łączą się w pary Coopera, nadając materiałowi właściwości nadprzewodzące.

Do przeprowadzenia symulacji zachowania germanu-72 wykorzystano technikę statystyczną o nazwie Shell Model Monte Carlo. Pozwala ona na sprawdzenie zachowania protonów i neutronów znajdujących się na poszczególnych poziomach energetycznych. Obliczenia prowadzone są na kwantowej średniej statystycznej, dzięki czemu nie jest konieczne sprawdzania każdej możliwej konfiguracji 72 nukleonów. Pomimo olbrzymiego uproszczenia symulacja zachowania jednego tylko nukleonu wymagała 4 godzin pracy 80 000 rdzeni komputera.

Naukowcy chcą teraz kontynuować swoje badania by sprawdzić, czy podobne zjawiska występują w innych izotopach. Wstępne badania sugerują bowiem, że german-72 może być pod tym względem wyjątkowy.

Hai Ah Nam dodaje, że jedną z zalet metody Shell Model Monte Carlo jest możliwość doświadczalnej weryfikacji uzyskanych wyników. Uczona mówi, że już w tej chwili z jej zespołem skontaktowali się specjaliści, którzy chcieliby przeprowadzić odpowiednie eksperymenty.

Na razie wciąż nie wiadomo, jakie konsekwencje może przynieść opisane odkrycie. Zależność pomiędzy nadprzewodnictwem, szybkim ruchem obrotowym i temperaturą to fascynujący temat, który można badać w odniesieniu do różnych systemów fizycznych - od jąder atomów po makroskopowe ferromagnetyki - mówi Witold Nazarewicz, dyrektor naukowy Holifield Radioactive Ion Beam Facility i pracownik University of Tennessee-Knoxville oraz Uniwersytetu Warszawskiego.

german-72 faza przejście Jaguar