Forskere har beskrevet processen med at skabe et stof opnået ved en temperatur "en hårsbredde" fra det absolutte nulpunkt.
Hvad er et Bose-Einstein-kondensat?
Bose-Einstein kondensat - aggregeringstilstandet stof baseret på bosoner afkølet til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Det kaldes undertiden den femte tilstand af stof sammen med faste stoffer, væsker, gasser og plasma. Teoretisk forudsagt i begyndelsen af det 20. århundrede, blev Bose-Einstein-kondensatet, eller BEC, først skabt i laboratoriet i 1995. Det er måske også materiens mærkeligste tilstand, og meget om det er fortsat ukendt for videnskaben.
Absolut nul er temperaturen vedhvor molekyler stopper enhver bevægelse. Er lig med –273,15 °C eller nul på Kelvin-skalaen. Når temperaturen nærmer sig det absolutte nulpunkt, begynder nogle ret mærkelige fænomener at opstå.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC opstår, når en gruppe atomer afkølesmed nøjagtighed til milliarddele af en grad over det absolutte nulpunkt. Typisk bruger fysikere lasere og magnetiske fælder til konstant at sænke temperaturen på en gas, der består af rubidiumatomer. Ved sådan en ultralav temperatur bevæger atomerne sig næsten ikke og begynder at opføre sig meget mærkeligt.
De er i det sammekvantetilstand - næsten som kohærente fotoner i en laser - og begynder at klæbe sammen og optager samme volumen som et uskelneligt superatom. En samling af atomer opfører sig i det væsentlige som én partikel.
Bose-Einstein kondensat og kvanteberegning
I øjeblikket er BEC vigtig for fundamentalforskning og modellering af kondenseret stof systemer. Det er dog også nyttigt i kvanteinformationsbehandling. Quantum computing, som stadig er i sine tidlige udviklingsstadier, bruger en række forskellige systemer. Men de afhænger alle af, at kvantebits eller qubits er i samme kvantetilstand.
De fleste BEC'er er lavet af fortyndede gasser af almindelige atomer. Men indtil nu har det ikke været muligt at skabe et kondensat fra eksotiske atomer.
Hvad er eksotiske atomer?
Eksotiske atomer er dem, hvorien subatomær partikel, såsom en elektron eller proton, erstattes af en anden subatomær partikel med samme ladning. Positronium er for eksempel et eksotisk atom, der består af en elektron og dens positivt ladede antipartikel, positronen.
Exciton er et andet eksempel på atomær "eksotisme".Når lys rammer en halvleder, har den energi nok til at excitere elektroner og bevæge sig fra atomets valensniveau til dets ledningsniveau. Disse ophidsede elektroner flyder derefter frit i en elektrisk strøm og omdanner i det væsentlige lysenergi til elektrisk energi. Når en negativt ladet elektron får dette til at "springe", kan det resterende rum opfattes som en positivt ladet partikel. Den negative elektron og det positive tomme rum tiltrækkes og binder sig dermed.
Sammen dette elektron-rumlige parer en elektrisk neutral kvasipartikel kendt som en exciton. En kvasipartikel er en partikellignende "entitet", der ikke betragtes som en af de 17 elementarpartikler i partikelfysikkens standardmodel.
Standardmodellen er en teoretisk konstruktion ielementarpartikelfysik, som beskriver den elektromagnetiske, svage og stærke vekselvirkning mellem alle elementarpartikler. Den moderne formulering blev afsluttet i 2000'erne efter eksperimentel bekræftelse af eksistensen af kvarker.
Det kan hun dog stadig haveegenskaber ved en elementarpartikel - såsom ladning og rotation. En excitonisk kvasipartikel kan også beskrives som et eksotisk atom. Det er fordi det faktisk er et brintatom, med dets enkelte positive proton erstattet af et enkelt tomrum med en positiv ladning.
Forskerne anvendte en uensartet spænding ved hjælp af en linse monteret under prøven (rød terning).
Billedkredit og ophavsret: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka og Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Der er to typer excitoner:ortoexcitoner, hvor elektronspindet er parallelt med spindet af dets hul, og paraexcitoner, hvor elektronspindet er antiparallelt (parallelt, men i modsat retning) med spindet af dets hulrum (hul).
Hvordan blev elektron-tomrumssystemer brugt tidligere?
Elektronhulsystemer er blevet brugt tilskabe andre faser af stof, såsom elektron-hul plasma og endda excitoniske væskedråber. Nu ville forskerne se, om de kunne skabe en BEC ud fra excitoner.
Pointen er den direkte observation af excitonenkondensat i en tredimensionel halvleder har været i høj efterspørgsel siden teoretikere foreslog det i 1962. Ingen vidste, om kvasipartikler kunne gennemgå Bose-Einstein-kondensering på samme måde som rigtige partikler." Som forfatterne til den nye undersøgelse forklarer, "det er noget af en hellig gral af lavtemperaturfysik."
Forsøg i fortiden
Forskere troede, at brint-lignendeParaexcitoner skabt i kobber(II)oxid (Cu₂O), en forbindelse af kobber og oxygen, er bedst egnede til fremstilling af excitoniske BEC'er i bulkhalvledere. Alt sammen på grund af deres lange levetid. Forsøg på at skabe en paraexciton BEC ved flydende heliumtemperaturer på omkring 2 Kelvin (-271,15 °C) blev gjort tilbage i 1990'erne, men lykkedes ikke. Problemet er, at oprettelse af en BEC fra excitoner kræver temperaturer meget lavere end dette.
Ortoexcitoner kan ikke nå så lavttemperaturer, da de er for kortvarige. Det er dog eksperimentelt velkendt, at paraexcitoner har ekstremt lange levetider, der overstiger flere hundrede nanosekunder, hvilket er langt nok til at afkøle dem til den ønskede BEC-temperatur.
Hvad har forskerne gjort?
Som en del af eksperimentet fangede fysikereparaexcitoner i en masse af Cu₂O med en temperatur under 400 mK (millikelvin). For at gøre dette brugte de et opløsningskøleskab, en specifikt kryogen enhed. Forskere bruger det i et forsøg på at realisere kvantecomputere.
Fortyndingskøleskabet er en kryogen enhed,første gang foreslået af Heinz London. Afkølingsprocessen bruger en blanding af to heliumisotoper: ³He og ⁴He. Når den afkøles til under 700 mK, oplever blandingen spontan faseadskillelse, der danner faser rige på ³He og rige på ⁴He.
Nærbillede af apparatet i et ikke-kryogent køleskabat opløse. Den mørkerøde kubiske krystal i midten af billedet er kobberoxid. Kredit: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka og Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
De afbildede derefter exciton BEC direktei det virkelige rum. De blev hjulpet af billeddannelse med induceret absorption i det mellem-infrarøde område. Dette er en type mikroskopi, der bruger lys i det mellem-infrarøde område. På denne måde var forskerne i stand til at foretage præcise målinger, herunder tætheden og temperaturen af excitoner. Til gengæld gav dette dem mulighed for at bemærke forskellene og lighederne mellem exciton BEC og konventionelle atomare BEC.
Hvad er næste?
Forskere vil ikke stoppe deropnået. Deres næste skridt er at studere dynamikken i dannelsen af en excitonisk BEC i en bulk-halvleder og at studere de kollektive excitationer af en excitonisk BEC.
Som et resultat håber fysikere at bygge en platformbaseret på et system af excitoniske BEC'er. Dette vil hjælpe med at belyse dets kvanteegenskaber og bedre forstå kvantemekanikken i qubits, som er stærkt koblet til deres miljø.
Læs mere:
Starlink-signal hacket til at blive brugt som et alternativ til GPS
"Hubble" kiggede ind i universets "nøglehul".
NASA afslørede oprindelsen af Haumea - den mest mystiske planet i solsystemet
På omslaget: press.princeton.edu