Aine võtab uue oleku: valede värvidega kujutistel on näitlikustatud, kuidas moodustub kondensaat ülijahutatud kaaliumiaatomitest. Vasakult paremale on kujutised, mis vastavad fermionpaare moodustavate aatomite vaheliste sidemete kasvavale tugevusele olukorras, kus magnetvälja tugevust samuti muudetakse. Lõpuks on aine võtnud uue oleku, väidavad teadlased. Foto: NIST/Colorado ülikool

Teadlased on saanud hakkama enneolematus olekus aine tegemisega, millest võib olla kasu näiteks täiesti uut moodi energeetikas, kui seni üliäärmuslikes oludes loodud olekut suudetakse hoida ka tavalisemates tingimustes ja kasutada ülijuhtide meisterdamiseks.

Saavutus olevat aine kuues olek lisaks tavaelust tuntud tahkele, vedelale ja gaasilisele, tavatumale plasmale ning seni ainsale tehisolekule ehk Bose-Einsteini kondensaadile, mis loodi 1995. aastal. “See, mille me valmis tegime, on aine uus eksootiline olek,” kuulutas USA Colorado ülikooli teadlane Deborah Jin, kes juhtis sama ettevõtmist.

Teadlased panid aineosakesed seisma

Tegemist on fermionkondensaadiga ehk kaaliumi ülijahutatud aatomite pilvega, mis on viidud seisundisse, kus nood “käituvad kummaliselt”. Uue aine-oleku saamiseks jahutasid teadlased vaakumkambris kaaliumi aatomid vaid miljardiku kraadini üle absoluutse nulli – see on temperatuur, mil aineosakesed ei liigu. Seejärel kasutati magnetvälja ja laserkiirgust aatomite paarideks liitmiseks ning fermionite ehk kvaasiosakeste kondensaadi moodustamiseks.

Jin rõhutas, et tema meeskond töötas ülijahutatud ainega, mis igapäevaseks kasutamiseks jätab vähe võimalusi. Kuid kaaliumi aatomite käitumise viis lubab loota, et leidub võimalus toota seda uut ainet ka enam-vähem toatemperatuuril. Sel juhul võidakse astuda sammuke lähemale tavaelus kasutatava ülijuhi saamisele.
Ülijuhiks nimetatakse ainet, millel puudub elektritakistus. “Ülijuhiga on võimalik edastada elektrit ilma kadudeta,” selgitas Jin. “Praegu läheb USA-s kaotsi umbes kümme protsenti toodetud elektrist. See “aurab ära” elektriliinides ja sellest pole kellelegi mingit kasu.”

Ülijuhid võimaldaksid ka luua magnetpadjal hõljuvaid ronge. Hõõrdejõu puududes suudaksid sellised rongid liikuda suure kiirusega, kasutades vaid väikest osa energiast, mida vajavad sõitmiseks praegused rongid.
Colorado ülikooli teadlased osalesid ka eelmise uue aineoleku, Bose-Einsteini kondensaadi (BEC) loomises, mille eest Eric Cornell ja Carl Wieman said 2001. aastal Nobeli füüsikapreemia.

BEC-id on tuhandete ülikül-made osakeste kogud, mis võtavad vaid ühe kvantseisundi. See tähendab, et kõik aatomid käituvad identselt nagu üksik hiiglaslik superaatom. BEC-id koosnevad bosonitest. Need on liik osakesi, mis on loomupäraselt “seltsivad”: nad võtavad üle pigem naabri liikumise, kui et liiguvad naabrist erinevalt ja üksi.

Vastandlike mõistete ühendus

Erinevalt bosonitest on fermionid – teine pool osakeste sugupuust ja mateeria põhiehituskividest – loomupäraselt “eraklikud”. Definitsiooni järgi ei saa ükski fermion olla täpselt samas olekus kui teine fermion. Seega, füüsikule peaks isegi väljend “fermionkondensaat” olema peaaegu et oksüümoron – vastandlike mõistete ühendus.

Kuuenda aineoleku saavutamise eksperimendis jahutati 500 000 kaaliumiaatomi gaasiline pilv vähem kui viiekümne miljardiku kraadini Celsiuse järgi üle absoluutse nulli. Seejärel tekitati magnetväli, mis sundis fermioniaatomeid paarideks koonduma sarnaselt elektronide paaridega, mis tekitavad ülijuhtivuse – fenomeni, milles elekter voolab ilma takistuseta. Jini meeskond tuvastas sellise paaritumise ja fermionilise kondensatsiooni tekke esmakordselt 16. detsembril 2003.

Temperatuur, kui metallid või nende sulamid muutuvad ülijuhtideks, sõltub nende elektronide vahelise “paaritumistegevuse” tugevusest. Kõrgeim teadaolev temperatuur, kui ülijuhtivus toimib, on umbes miinus 135 kraadi Celsiuse järgi.

Aastakümneid on füüsikud oletanud, et ülijuhtivus (mis haarab fermioneid) ja BEC on lähedalt seotud.

Teoreetikud on esitanud hüpoteesi, et ülijuhtivus ja BEC on ülivoolava käitumise kaks äärmust. Ülivoolavus on ebatavaline olek, kus aine ei ilmuta mitte mingit vastuseisu voolamisele. Näiteks kui ülivoolavat vedelat heeliumi valatakse avatud konteineri keskele, siis voolab see spontaanselt üle konteineri äärte.

Mendelejevi tabel võib täieneda

Vene ja Ameerika teadlased on meisterdanud kaks “ülirasket” uut elementi, mis võivad täiendada elementide perioodilisuse tabeli – sellesama kooliajast kõigile pähe kulunud Mendelejevi tabeli – lõpurida.

Tõsi küll, uued elemendid – mil numbreiks peaksid olema 113 ja 115 ning esialgseiks lihtsalt numbreile viitavaiks nimedeks vastavalt Ununtrium ja Ununpentium – eksisteerisid vaid hetke nende loomiseks kasutatud osakestekiirendis. Lühike “eluiga” pole ebaloomulik, sest looduses leidubki elemente kuni järjenumbrini 92, nii et sellest suurema järjenumbri ehk tuumas olevate prootonite arvuga elemendid on tehislikud.

Täpsemini küll on nii vähe elemente Maa peal, looduses laiemas tähenduses on neid ilmselt rohkem. Nii arvataksegi, et ülirasked elemendid võivad tekkida supernoova plahvatustes tähtedel. Või siis tekkisid nad neil ägedail aegadel, mil universum sündis.

Mõttekäigus Maale naastes tuleks tõdeda, et ilmselt ei leia osakestekiirendites loodud ülirasked elemendid mingisugust otstarvet igapäevaelus, märkis uudisteagentuur AP. Küll aga võib kahe uue elemendi saamine olla abiks pingutustele luua uus ühtne teadusteooria, mis seletaks kogu mateeriat valitsevaid füüsikalisi jõude.
Andmed uute elementide kohta avaldatakse Ameerika Füüsikaühingu tuumastruktuuride käsitlemisele spetsialiseerunud ajakirjas Physical Review. Kuid see ei tähenda veel, et kooliõpikuisse tuleks hakata tegema parandusi. Perioodilisustabel saab täiendust siis, kui ka teised laboratooriumid on suutnud neid elemente luua.
Seesuguste eksperimentide ja saavutuste usaldusväärsus lõi kõikuma pärast seda, kui kahe uue elemendi avastamine-saamine 1999. aastal osutus valeks. Tollal väitsid California ja Oregoni ülikooli teadlased, et pliid krüptooniioonidega pommitades said nad kolm elemendi 118 aatomit, kuid nood langesid kohe elemendiks 116. Paar aastat hiljem selgus, et andmed olid tõenäoliselt fabritseeritud. Samal 1999. aastal said Vene teadlased hakkama elemendi 114 loomisega, pommitades osakestekiirendis plutooniumi kaltsiumiioonidega. Seda pole vaidlustatud.

Trikk seisnes selles, et tsüklotronis tulistati kaltsiumi isotoopi ameriitsiumi pihta. Nende kahe tuuma liitumisel tekkiski element 115, mis küll langes murdosa sekundi jooksul elemendiks 113, mis omakorda püsis aga enam kui sekundi.