Vědci popsali proces tvorby látky dosažený při teplotě „na vlas“ od absolutní nuly.
Co je Bose-Einsteinův kondenzát?
Bose-Einsteinův kondenzát - stav agregacelátka na bázi bosonů ochlazená na teploty blízké absolutní nule. Někdy se mu říká páté skupenství hmoty spolu s pevnými látkami, kapalinami, plyny a plazmou. Teoreticky předpovězený na začátku 20. století, Bose-Einsteinův kondenzát, neboli BEC, vznikl v laboratoři teprve v roce 1995. Je to také možná nejpodivnější stav hmoty a mnoho o něm zůstává vědě neznámé.
Absolutní nula je teplota přive kterém molekuly zastavují jakýkoli pohyb. Rovná se –273,15 °C nebo nule na Kelvinově stupnici. Když se teplota blíží absolutní nule, začnou se dít poněkud zvláštní jevy.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC nastává, když se skupina atomů ochladís přesností na miliardtiny stupně nad absolutní nulou. Fyzici obvykle používají lasery a magnetické pasti k neustálému snižování teploty plynu složeného z atomů rubidia. Při tak ultranízké teplotě se atomy téměř nepohnou a začnou se chovat velmi zvláštně.
Jsou na tom stejněkvantovém stavu – téměř jako koherentní fotony v laseru – a začnou se lepit pohromadě a zabírají stejný objem jako jeden nerozlišitelný superatom. Soubor atomů se v podstatě chová jako jedna částice.
Bose-Einsteinův kondenzát a kvantové výpočty
V tuto chvíli je BEC důležitý pro fundamentvýzkum a modelování systémů kondenzovaných látek. Je však také užitečný při kvantovém zpracování informací. Kvantové výpočty, které jsou stále v raných fázích vývoje, využívají různé systémy. Ale všechny závisí na kvantových bitech nebo qubitech, které jsou ve stejném kvantovém stavu.
Většina BEC je vyrobena ze zředěných plynů běžných atomů. Ale až dosud nebylo možné vytvořit kondenzát z exotických atomů.
Co jsou exotické atomy?
Exotické atomy jsou ty, ve kterýchjedna subatomární částice, jako je elektron nebo proton, je nahrazena jinou subatomární částicí se stejným nábojem. Například pozitronium je exotický atom, který se skládá z elektronu a jeho kladně nabité antičástice, pozitronu.
Exciton je dalším příkladem atomového „exotismu“.Když světlo dopadá na polovodič, má dostatek energie k vybuzení elektronů a přesunu z valenční úrovně atomu na jeho vodivostní úroveň. Tyto excitované elektrony pak volně proudí v elektrickém proudu a v podstatě přeměňují světelnou energii na elektrickou energii. Když záporně nabitý elektron udělá tento „skok“, zbývající prostor lze považovat za kladně nabitou částici. Záporný elektron a kladný prázdný prostor se přitahují a tím se spojují.
Společně tento elektron-prostorový párje elektricky neutrální kvazičástice známá jako exciton. Kvazičástice je „entita“ podobná částicím, která není považována za jednu ze 17 elementárních částic ve standardním modelu částicové fyziky.
Standardní model je teoretický konstruktfyzika elementárních částic, popisující elektromagnetickou, slabou a silnou interakci všech elementárních částic. Moderní formulace byla dokončena v roce 2000 po experimentálním potvrzení existence kvarků.
Stále však může mítvlastnosti elementární částice – např. náboj a rotace. Excitonickou kvazičástici lze také popsat jako exotický atom. Je to proto, že je to ve skutečnosti atom vodíku, jehož jediný kladný proton je nahrazen jedinou prázdnotou s kladným nábojem.
Vědci aplikovali nerovnoměrné napětí pomocí čočky namontované pod vzorkem (červená kostka).
Obrazový kredit a autorská práva: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka a Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Existují dva typy excitonů:ortoexcitony, ve kterých je spin elektronu rovnoběžný se spinem jeho díry, a paraexcitony, ve kterých je spin elektronu antiparalelní (paralelní, ale v opačném směru) ke spinu jeho prázdnoty (díry).
Jak se v minulosti používaly elektronově prázdné systémy?
Systémy elektronových děr byly použity provytváření dalších fází hmoty, jako je plazma s elektronovými dírami a dokonce i kapičky excitonické kapaliny. Nyní chtěli vědci zjistit, zda by dokázali vytvořit BEC z excitonů.
Jde o to přímé pozorování excitonukondenzát v trojrozměrném polovodiči je velmi žádaný od doby, kdy jej teoretici navrhli v roce 1962. Nikdo nevěděl, zda by kvazičástice mohly podstoupit Bose-Einsteinovu kondenzaci stejným způsobem jako skutečné částice. Jak vysvětlují autoři nové studie, „toto je něco jako svatý grál fyziky nízkých teplot“.
Pokusy v minulosti
Vědci věřili, že podobné vodíkuParaexcitony vytvořené v oxidu měďném (Cu₂O), sloučenině mědi a kyslíku, jsou nejvhodnější pro výrobu excitonických BEC v objemových polovodičích. To vše kvůli jejich dlouhé životnosti. Pokusy vytvořit paraexciton BEC při teplotách kapalného helia asi 2 Kelviny (-271,15 °C) byly provedeny již v 90. letech 20. století, ale nebyly úspěšné. Problém je v tom, že vytvoření BEC z excitonů vyžaduje teploty mnohem nižší.
Ortoexcitony nemohou dosáhnout tak nízkoteploty, protože jsou příliš krátkodobé. Experimentálně je však dobře známo, že paraexcitony mají extrémně dlouhou životnost, přesahující několik stovek nanosekund, což je dostatečně dlouhá doba k jejich ochlazení na požadovanou teplotu BEC.
Co vědci udělali?
V rámci experimentu se fyzikové chytiliparaexcitony ve hmotě Cu₂O s teplotou pod 400 mK (milikelvin). K tomu použili rozpouštěcí ledničku, konkrétně kryogenní zařízení. Vědci jej používají ve snaze realizovat kvantové počítače.
Ředicí lednička je kryogenní zařízení,jako první navrhl Heinz London. Chladicí proces využívá směs dvou izotopů helia: ³He a ⁴He. Při ochlazení pod 700 mK dochází ve směsi ke spontánní separaci fází, přičemž vznikají fáze bohaté na ³He a bohaté na ⁴He.
Detailní záběr přístroje v nekryogenní chladničcek rozpuštění. Tmavě červený krychlový krystal ve středu obrázku je oxid měďný. Poděkování: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka a Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Poté přímo zobrazili exciton BECv reálném prostoru. Pomohlo jim zobrazení s indukovanou absorpcí ve středním infračerveném rozsahu. Jedná se o typ mikroskopie, který využívá světlo ve středním infračerveném rozsahu. Tímto způsobem byli vědci schopni provést přesná měření, včetně hustoty a teploty excitonů. To jim zase umožnilo zaznamenat rozdíly a podobnosti mezi excitonovým BEC a konvenčním atomovým BEC.
Co bude dál?
Vědci se tam nezastavídosaženo. Jejich dalším krokem je studium dynamiky vzniku excitonického BEC v objemovém polovodiči a studium kolektivních excitací excitonického BEC.
V důsledku toho fyzici doufají, že vybudují platformuzaložené na systému excitonických BEC. To pomůže objasnit jeho kvantové vlastnosti a lépe porozumět kvantové mechanice qubitů, které jsou silně spojeny s jejich prostředím.
Přečtěte si více:
Signál Starlink byl hackerem použit jako alternativa k GPS
„Hubble“ se podíval do „klíčové dírky“ vesmíru
NASA odhalila původ Haumea – nejzáhadnější planety sluneční soustavy
Na obálce: press.princeton.edu