الحالة الخامسة للمادة خلقت: كيف فعلها الفيزيائيون

لقد وصف العلماء عملية تكوين مادة تتحقق عند درجة حرارة "عرض الشعرة" من الصفر المطلق.

ما هي مكثف بوز-آينشتاين؟

مكثفات بوز-آينشتاين - حالة التجميعمادة تعتمد على البوزونات يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ويطلق عليها أحيانا الحالة الخامسة للمادة، إلى جانب المواد الصلبة والسوائل والغازات والبلازما. تم التنبؤ نظريًا في بداية القرن العشرين، حيث تم إنشاء مكثف بوز-آينشتاين، أو BEC، في المختبر فقط في عام 1995. وربما تكون أيضًا أغرب حالات المادة، ولا يزال الكثير عنها غير معروف للعلم.

الصفر المطلق هو درجة الحرارة عندحيث توقف الجزيئات أي حركة. تساوي -273.15 درجة مئوية، أو صفر على مقياس كلفن. عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، تبدأ بعض الظواهر الغريبة بالحدوث.

الصورة: NIST / Wikimedia Commons

يحدث BEC عندما تبرد مجموعة من الذراتبدقة تصل إلى جزء من المليارات من الدرجة فوق الصفر المطلق. عادة، يستخدم الفيزيائيون الليزر والمصائد المغناطيسية لخفض درجة حرارة الغاز المكون من ذرات الروبيديوم بشكل مستمر. في مثل هذه درجة الحرارة المنخفضة للغاية، لا تتحرك الذرات تقريبًا وتبدأ في التصرف بشكل غريب جدًا.

هم في نفسالحالة الكمومية - تشبه تقريبًا الفوتونات المتماسكة في الليزر - وتبدأ في الالتصاق ببعضها البعض، وتحتل نفس حجم ذرة فائقة واحدة لا يمكن تمييزها. مجموعة من الذرات تتصرف بشكل أساسي مثل جسيم واحد.

مكثفات بوز-آينشتاين والحوسبة الكمومية

في الوقت الحالي، تعتبر BEC مهمة بالنسبة للأساسياتبحث ونمذجة أنظمة المادة المكثفة. ومع ذلك، فهو مفيد أيضًا في معالجة المعلومات الكمومية. تستخدم الحوسبة الكمومية، التي لا تزال في مراحلها الأولى من التطوير، مجموعة متنوعة من الأنظمة. لكنها جميعًا تعتمد على وجود البتات الكمومية، أو الكيوبتات، في نفس الحالة الكمومية.

يتم تصنيع معظم BECs من الغازات المخففة للذرات العادية. ولكن حتى الآن لم يكن من الممكن إنشاء مكثفات من ذرات غريبة.

ما هي الذرات الغريبة؟

الذرات الغريبة هي تلك التييتم استبدال جسيم دون ذري، مثل الإلكترون أو البروتون، بجسيم دون ذري آخر له نفس الشحنة. البوزيترونيوم، على سبيل المثال، هو ذرة غريبة تتكون من إلكترون وجسيم مضاد له شحنة موجبة، البوزيترون.

الإكسيتون هو مثال آخر على "الغرابة" الذرية.عندما يضرب الضوء مادة شبه موصلة، يكون لديه طاقة كافية لإثارة الإلكترونات والانتقال من مستوى التكافؤ للذرة إلى مستوى التوصيل. ثم تتدفق هذه الإلكترونات المثارة بحرية في تيار كهربائي، وتحول بشكل أساسي الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. عندما يقوم إلكترون سالب الشحنة بهذه "القفزة"، يمكن اعتبار المساحة المتبقية جسيمًا موجب الشحنة. ينجذب الإلكترون السالب والفضاء الفارغ الموجب وبالتالي يرتبطان.

معًا هذا الزوج الإلكتروني المكانيهو شبه جسيم محايد كهربائيا يعرف باسم الإكسيتون. شبه الجسيم هو "كيان" يشبه الجسيم ولا يعتبر أحد الجسيمات الأولية السبعة عشر في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

النموذج القياسي هو بناء نظري فيفيزياء الجسيمات الأولية ، وتصف التفاعل الكهرومغناطيسي والضعيف والقوي لجميع الجسيمات الأولية. اكتملت الصيغة الحديثة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بعد التأكيد التجريبي لوجود الكواركات.

ومع ذلك، ربما لا يزال لديهاخصائص الجسيمات الأولية - مثل الشحنة والدوران. يمكن أيضًا وصف شبه الجسيمات المثيرة بأنها ذرة غريبة. ذلك لأنها في الواقع ذرة هيدروجين، مع بروتون موجب واحد تم استبداله بفراغ واحد بشحنة موجبة.

طبق الباحثون جهدًا غير منتظم باستخدام عدسة مثبتة أسفل العينة (المكعب الأحمر).
حقوق الصورة وحقوق النشر: Yusuke Morita و Kosuke Yoshioka و Makoto Kuwata-Gonokami ، جامعة طوكيو

هناك نوعان من الإكسيتونات:orthoexcitons، حيث يكون دوران الإلكترون موازيًا لدوران ثقبه، وparaexcitons، حيث يكون دوران الإلكترون موازيًا (موازيًا، ولكن في الاتجاه المعاكس) لدوران فراغه (الثقب).

كيف تم استخدام أنظمة الفراغ الإلكتروني في الماضي؟

وقد تم استخدام أنظمة ثقب الإلكترون لخلق أطوار أخرى للمادة، مثل بلازما ثقب الإلكترون وحتى القطرات السائلة المثيرة. الآن أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء BEC من الإكسيتونات.

النقطة المهمة هي أن المراقبة المباشرة للإكسيتونكان الطلب على المكثفات في أشباه الموصلات ثلاثية الأبعاد مرتفعًا منذ أن اقترحها المنظرون في عام 1962. ولم يكن أحد يعلم ما إذا كانت أشباه الجسيمات يمكن أن تخضع لتكثيف بوز-آينشتاين بنفس الطريقة التي تخضع بها الجسيمات الحقيقية. وكما يوضح مؤلفو الدراسة الجديدة، "فهذا بمثابة الكأس المقدسة لفيزياء درجات الحرارة المنخفضة".

محاولات في الماضي

يعتقد العلماء أنه يشبه الهيدروجينتعتبر الباراكسيتونات المتكونة في أكسيد النحاسوز (Cu₂O)، وهو مركب من النحاس والأكسجين، هي الأنسب لتصنيع بوز-آينشتاين مثيرة في أشباه الموصلات السائبة. كل ذلك بسبب عمرهم الطويل. جرت محاولات لإنشاء باراكسيتون BEC عند درجات حرارة الهيليوم السائل تبلغ حوالي 2 كلفن (-271.15 درجة مئوية) في التسعينيات، لكنها لم تكن ناجحة. المشكلة هي أن إنشاء BEC من الإكسيتونات يتطلب درجات حرارة أقل بكثير من هذه.

لا يمكن لـ Orthoexcitons الوصول إلى هذا المستوى المنخفضدرجات الحرارة، لأنها قصيرة الأجل للغاية. ومع ذلك، فمن المعروف تجريبيًا أن الباراكسيتونات لها عمر طويل للغاية، يتجاوز عدة مئات من النانو ثانية، وهي طويلة بما يكفي لتبريدها إلى درجة حرارة BEC المرغوبة.

ماذا فعل العلماء؟

كجزء من التجربة، اشتعلت الفيزياءParaexcitons في كتلة Cu₂O مع درجة حرارة أقل من 400 ملي كلفن. للقيام بذلك، استخدموا ثلاجة الذوبان، وهو جهاز مبرد على وجه التحديد. يستخدمه العلماء في محاولة لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

ثلاجة التخفيف عبارة عن جهاز تبريد ،اقترحه هاينز لندن لأول مرة. تستخدم عملية التبريد مزيجًا من نظيري الهيليوم: ³He و ⁴He. عند تبريده إلى أقل من 700 ملي كلفن ، يختبر المزيج فصل طور تلقائي ، ويشكل مراحل غنية بـ ³He وغنية بـ ⁴He.

صورة مقربة للجهاز في ثلاجة غير مبردةليذوب. البلورة المكعبة ذات اللون الأحمر الداكن في وسط الصورة هي أكسيد النحاسوز. الائتمان: يوسوكي موريتا، وكوسوكي يوشيوكا، وماكوتو كواتا-غونوكامي، جامعة طوكيو

ثم قاموا بعد ذلك بتصوير exciton BEC مباشرةفي الفضاء الحقيقي. وقد ساعدهم التصوير بالامتصاص المستحث في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط. هذا نوع من الفحص المجهري الذي يستخدم الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط. وبهذه الطريقة، تمكن العلماء من إجراء قياسات دقيقة، بما في ذلك كثافة ودرجة حرارة الإكسيتونات. وهذا بدوره سمح لهم بملاحظة الاختلافات والتشابهات بين إكسيتون BEC وBEC الذري التقليدي.

ما التالي؟

العلماء لن يتوقفوا عند هذا الحدحقق. خطوتهم التالية هي دراسة ديناميكيات تكوين BEC الاستثنائي في كتلة شبه موصلة ودراسة الإثارات الجماعية لـ BEC الاستثنائي.

ونتيجة لذلك، يأمل الفيزيائيون في بناء منصةعلى أساس نظام BECs excitonic. سيساعد هذا في توضيح خصائصها الكمومية وفهم ميكانيكا الكم للكيوبت بشكل أفضل، والتي ترتبط بقوة ببيئتها.

قراءة المزيد:

تم اختراق إشارة Starlink لاستخدامها كبديل لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

بحث "هابل" في "ثقب المفتاح" في الكون

كشفت وكالة ناسا عن أصل كوكب هاوميا - أكثر الكواكب غموضًا في النظام الشمسي

على الغلاف: اضغط .princeton.edu