Учените са описали процеса на създаване на вещество, което се постига при температура "ширина на косъма" от абсолютната нула.
Какво е кондензат на Бозе-Айнщайн?
Кондензатът на Бозе-Айнщайн е агрегатно състояние на материята, базирано набозоните се охлаждат до температури, близки до абсолютната нула.Теоретично предсказан в началото на 20 век, кондензатътСерията Bose-Einstein, или BEC, е създадена в лабораторията едва през 1995 г. Това е и може би най-странното състояние на материята и много за него остава неизвестно за науката.
Абсолютна нула е температурата прив който молекулите спират всяко движение. Равно на –273,15 °C или нула по скалата на Келвин. Когато температурата достигне абсолютната нула, започват да се случват някои доста странни явления.
Снимка: NIST/Wikimedia Commons
BEC възниква, когато група от атоми се охладис точност до милиардни от градуса над абсолютната нула. Обикновено физиците използват лазери и магнитни капани, за да понижават непрекъснато температурата на газ, съставен от рубидиеви атоми. При такава свръхниска температура атомите почти не се движат и започват да се държат много странно.
Те са в същотоквантово състояние - почти като кохерентни фотони в лазер - и започват да се слепват, заемайки същия обем като един неразличим суператом. Колекция от атоми по същество се държи като една частица.
Кондензат на Бозе-Айнщайн и квантово изчисление
В момента BEC е важен за основнияизследване и моделиране на системи от кондензирана материя. Въпреки това, той е полезен и при обработка на квантова информация. Квантовото изчисление, което все още е в ранен етап на развитие, използва различни системи. Но всички те зависят от това, че квантовите битове или кубити са в едно и също квантово състояние.
Повечето BEC са направени от разредени газове от обикновени атоми. Но досега не беше възможно да се създаде кондензат от екзотични атоми.
Какво представляват екзотичните атоми?
Екзотичните атоми са тези, в коитоедна субатомна частица, като електрон или протон, се заменя с друга субатомна частица със същия заряд. Позитроният, например, е екзотичен атом, който се състои от електрон и неговата положително заредена античастица, позитронът.
Exciton е друг пример за атомна „екзотика“.Когато светлината удари полупроводник, тя има достатъчно енергия, за да възбуди електрони и да се премести от валентното ниво на атома към неговото ниво на проводимост. След това тези възбудени електрони текат свободно в електрически ток, като по същество преобразуват светлинната енергия в електрическа енергия. Когато отрицателно зареден електрон направи този „скок“, оставащото пространство може да се разглежда като положително заредена частица. Отрицателният електрон и положителното празно пространство се привличат и по този начин се свързват.
Заедно тази електронно-пространствена двойкае електрически неутрална квазичастица, известна като екситон. Квазичастицата е подобно на частица „същество“, което не се счита за една от 17-те елементарни частици в Стандартния модел на физиката на елементарните частици.
Стандартният модел е теоретична конструкция вфизика на елементарните частици, описваща електромагнитното, слабо и силно взаимодействие на всички елементарни частици. Модерната формулировка е завършена през 2000-те след експериментално потвърждение за съществуването на кварки.
Въпреки това, тя все още може да имасвойства на елементарната частица – като заряд и въртене. Една екситонна квазичастица може също да бъде описана като екзотичен атом. Това е така, защото всъщност е водороден атом, чийто единствен положителен протон е заменен от една празнина с положителен заряд.
Изследователите прилагат неравномерно напрежение с помощта на леща, монтирана под пробата (червен куб).
Авторство на изображението и авторски права: Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Университет на Токио
Има два вида екситони:ортоекситони, при които спинът на електрона е успореден на спина на неговата дупка, и параекситони, при които спинът на електрона е антипаралелен (успореден, но в обратна посока) на спина на неговата празнота (дупка).
Как са били използвани електронно-празните системи в миналото?
Електронно-дупкови системи са използвани засъздаване на други фази на материята, като плазма с електронни дупки и дори екситонни течни капчици. Сега учените искаха да видят дали могат да създадат BEC от екситони.
Въпросът е, че директното наблюдение на екситонакондензатът в триизмерен полупроводник е много търсен, откакто теоретиците го предложиха през 1962 г. Никой не знаеше дали квазичастиците могат да претърпят кондензация на Бозе-Айнщайн по същия начин като истинските частици. Както обясняват авторите на новото изследване, „това е нещо като Светия Граал на физиката на ниските температури“.
Опитите в миналото
Учените смятат, че подобен на водородПараекситоните, създадени в меден оксид (Cu₂O), съединение на мед и кислород, са най-подходящи за производство на екситонни BECs в обемни полупроводници. Всичко заради дългия им живот. Опитите за създаване на параекситон BEC при температури на течен хелий от около 2 Келвина (-271,15 °C) бяха направени още през 90-те години на миналия век, но не бяха успешни. Проблемът е, че създаването на BEC от екситони изисква температури, много по-ниски от тази.
Ортоекситоните не могат да достигнат толкова нискотемператури, тъй като са твърде краткотрайни. Въпреки това, експериментално е добре известно, че параекситоните имат изключително дълъг живот, надвишаващ няколкостотин наносекунди, което е достатъчно дълго, за да ги охлади до желаната BEC температура.
Какво са направили учените?
Като част от експеримента физиците уловихапараекситони в маса от Cu₂O с температура под 400 mK (миликелвин). За да направят това, те използваха хладилник за разтваряне, специално криогенно устройство. Учените го използват в опит да реализират квантови компютри.
Хладилникът за разреждане е криогенно устройство,за първи път предложен от Хайнц Лондон. Процесът на охлаждане използва смес от два изотопа на хелий: ³He и ⁴He. Когато се охлади под 700 mK, сместа претърпява спонтанно фазово разделяне, образувайки фази, богати на ³He и богати на 4He.
Близък план на апарата в некриогенен хладилникда се разтвори. Тъмночервеният кубичен кристал в центъра на изображението е меден оксид. С уважение към: Юсуке Морита, Косуке Йошиока и Макото Кувата-Гоноками, Университет на Токио
След това те директно изобразиха екситона BECв реално пространство. Те са били подпомогнати от изображения с индуцирана абсорбция в средния инфрачервен диапазон. Това е вид микроскопия, която използва светлина в средния инфрачервен диапазон. По този начин учените успяха да направят точни измервания, включително плътността и температурата на екситоните. На свой ред това им позволи да отбележат разликите и приликите между екситонния BEC и конвенционалния атомен BEC.
Какво следва?
Учените няма да спрат дотукпостигнати. Следващата им стъпка е да изследват динамиката на образуването на екситоничен BEC в обемен полупроводник и да изследват колективните възбуждания на екситоничен BEC.
В резултат на това физиците се надяват да изградят платформана базата на система от екситонни BEC. Това ще помогне да се изяснят неговите квантови свойства и да се разбере по-добре квантовата механика на кубитите, които са силно свързани с тяхната среда.
Прочетете още:
Сигналът на Starlink е хакнат, за да се използва като алтернатива на GPS
"Хъбъл" погледна в "ключовата дупка" на Вселената
НАСА разкри произхода на Хаумеа - най-загадъчната планета в Слънчевата система
На корицата: press.princeton.edu