Οι επιστήμονες έχουν περιγράψει τη διαδικασία δημιουργίας μιας ουσίας που επιτυγχάνεται σε θερμοκρασία «πλάτους μιας τρίχας» από το απόλυτο μηδέν.
Τι είναι ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein;
Συμπύκνωμα Bose-Einstein - κατάσταση συσσωμάτωσηςμια ουσία που βασίζεται σε μποζόνια που ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Μερικές φορές ονομάζεται πέμπτη κατάσταση της ύλης, μαζί με στερεά, υγρά, αέρια και πλάσμα. Θεωρητικά προβλεπόμενο στις αρχές του 20ου αιώνα, το συμπύκνωμα Bose-Einstein, ή BEC, δημιουργήθηκε στο εργαστήριο μόλις το 1995. Είναι επίσης ίσως η πιο παράξενη κατάσταση της ύλης, και πολλά σχετικά με αυτήν παραμένουν άγνωστα στην επιστήμη.
Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία στοστην οποία τα μόρια σταματούν κάθε κίνηση. Ισούται με –273,15 °C ή μηδέν στην κλίμακα Kelvin. Όταν η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν, αρχίζουν να συμβαίνουν κάποια μάλλον περίεργα φαινόμενα.
Φωτογραφία: NIST/Wikimedia Commons
Το BEC εμφανίζεται όταν μια ομάδα ατόμων ψύχεταιμε ακρίβεια έως δισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Συνήθως, οι φυσικοί χρησιμοποιούν λέιζερ και μαγνητικές παγίδες για να μειώνουν συνεχώς τη θερμοκρασία ενός αερίου που αποτελείται από άτομα ρουβιδίου. Σε μια τόσο εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα σχεδόν δεν κινούνται και αρχίζουν να συμπεριφέρονται πολύ περίεργα.
Είναι στα ίδιακβαντική κατάσταση—σχεδόν σαν συνεκτικά φωτόνια σε ένα λέιζερ—και αρχίζουν να κολλάνε μεταξύ τους, καταλαμβάνοντας τον ίδιο όγκο με ένα δυσδιάκριτο υπεράτομο. Μια συλλογή ατόμων ουσιαστικά συμπεριφέρεται σαν ένα σωματίδιο.
Συμπύκνωση Bose-Einstein και κβαντικοί υπολογιστές
Αυτή τη στιγμή, το BEC είναι σημαντικό για θεμελιώδηέρευνα και μοντελοποίηση συστημάτων συμπυκνωμένης ύλης. Ωστόσο, είναι επίσης χρήσιμο στην κβαντική επεξεργασία πληροφοριών. Ο κβαντικός υπολογιστής, ο οποίος βρίσκεται ακόμη στα αρχικά στάδια ανάπτυξής του, χρησιμοποιεί μια ποικιλία συστημάτων. Αλλά όλα εξαρτώνται από τα κβαντικά bit, ή qubits, που βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση.
Τα περισσότερα BEC κατασκευάζονται από αραιά αέρια συνηθισμένων ατόμων. Αλλά μέχρι τώρα δεν ήταν δυνατό να δημιουργηθεί ένα συμπύκνωμα από εξωτικά άτομα.
Τι είναι τα εξωτικά άτομα;
Εξωτικά άτομα είναι εκείνα στα οποίαένα υποατομικό σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα πρωτόνιο, αντικαθίσταται από ένα άλλο υποατομικό σωματίδιο με το ίδιο φορτίο. Το ποζιτρόνιο, για παράδειγμα, είναι ένα εξωτικό άτομο που αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο και το θετικά φορτισμένο αντισωματίδιο του, το ποζιτρόνιο.
Το Exciton είναι ένα άλλο παράδειγμα ατομικού «εξωτισμού».Όταν το φως χτυπά έναν ημιαγωγό, έχει αρκετή ενέργεια για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια και να μετακινηθεί από το επίπεδο σθένους του ατόμου στο επίπεδο αγωγής του. Αυτά τα διεγερμένα ηλεκτρόνια ρέουν στη συνέχεια ελεύθερα σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα, μετατρέποντας ουσιαστικά την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Όταν ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο κάνει αυτό το «άλμα», ο υπόλοιπος χώρος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Το αρνητικό ηλεκτρόνιο και ο θετικός κενός χώρος έλκονται και έτσι συνδέονται.
Μαζί αυτό το ζεύγος ηλεκτρονίων-χωρώνείναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο οιονείσωματίδιο γνωστό ως εξίτον. Ένα οιονείσωματίδιο είναι μια σωματιδιακή «οντότητα» που δεν θεωρείται ένα από τα 17 στοιχειώδη σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια θεωρητική κατασκευή σεφυσική στοιχειωδών σωματιδίων, η οποία περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική, ασθενή και ισχυρή αλληλεπίδραση όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Η σύγχρονη διατύπωση ολοκληρώθηκε τη δεκαετία του 2000 μετά από πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης κουάρκ.
Ωστόσο, μπορεί να έχει ακόμαιδιότητες ενός στοιχειώδους σωματιδίου - όπως το φορτίο και η περιστροφή. Ένα εξιτονικό οιονείσωματίδιο μπορεί επίσης να περιγραφεί ως εξωτικό άτομο. Αυτό συμβαίνει επειδή στην πραγματικότητα είναι ένα άτομο υδρογόνου, με το μοναδικό θετικό πρωτόνιό του να αντικαθίσταται από ένα μόνο κενό με θετικό φορτίο.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν μια ανομοιόμορφη τάση χρησιμοποιώντας έναν φακό τοποθετημένο κάτω από το δείγμα (κόκκινος κύβος).
Πίστωση εικόνας και πνευματικά δικαιώματα: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka και Makoto Kuwata-Gonokami, Πανεπιστήμιο του Τόκιο
Υπάρχουν δύο τύποι εξιτονίων:ορθοεξιτονίων, στα οποία το σπιν του ηλεκτρονίου είναι παράλληλο με το σπιν της οπής του, και παραεξιτονίων, στα οποία το σπιν του ηλεκτρονίου είναι αντιπαράλληλο (παράλληλο, αλλά στην αντίθετη κατεύθυνση) με το σπιν του κενού του (οπή).
Πώς χρησιμοποιούνταν τα συστήματα ηλεκτρονίων-κενών στο παρελθόν;
Έχουν χρησιμοποιηθεί συστήματα ηλεκτρονικών οπών γιαδημιουργώντας άλλες φάσεις ύλης, όπως πλάσμα ηλεκτρονίων-οπών και ακόμη και σταγονίδια εξιτονικού υγρού. Οι επιστήμονες ήθελαν τώρα να δουν αν μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα BEC από εξιτόνια.
Το θέμα είναι ότι η άμεση παρατήρηση του εξιτονίουΤο συμπύκνωμα σε έναν τρισδιάστατο ημιαγωγό έχει μεγάλη ζήτηση από τότε που το πρότειναν οι θεωρητικοί το 1962. Κανείς δεν ήξερε αν τα οιονεί σωματίδια θα μπορούσαν να υποστούν συμπύκνωση Bose-Einstein με τον ίδιο τρόπο όπως τα πραγματικά σωματίδια». Όπως εξηγούν οι συντάκτες της νέας μελέτης, «αυτό είναι κάτι σαν Ιερό Δισκοπότηρο της φυσικής χαμηλής θερμοκρασίας».
Προσπάθειες στο παρελθόν
Οι επιστήμονες πίστευαν ότι μοιάζει με υδρογόνοΤα παραεξιτόνια που δημιουργούνται στο οξείδιο του χαλκού (Cu2O), μια ένωση χαλκού και οξυγόνου, είναι τα καλύτερα κατάλληλα για την κατασκευή εξιτονικών BEC σε ημιαγωγούς χύδην. Όλα λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους. Προσπάθειες για τη δημιουργία ενός BEC paraexciton σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου περίπου 2 Kelvin (-271,15 °C) έγιναν στη δεκαετία του 1990, αλλά δεν ήταν επιτυχείς. Το πρόβλημα είναι ότι η δημιουργία ενός BEC από εξιτόνια απαιτεί θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από αυτή.
Τα ορθοεξιτονάκια δεν μπορούν να φτάσουν τόσο χαμηλάθερμοκρασίες, καθώς είναι πολύ βραχύβιες. Ωστόσο, είναι πειραματικά ευρέως γνωστό ότι τα παραεξιτόνια έχουν εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής, που υπερβαίνει τις αρκετές εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα, που είναι αρκετά μεγάλο για να τα ψύχει στην επιθυμητή θερμοκρασία BEC.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Ως μέρος του πειράματος, οι φυσικοί έπιασανπαραεξιτονών σε μάζα Cu2O με θερμοκρασία κάτω από 400 mK (millikelvin). Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν ένα ψυγείο διάλυσης, μια ειδικά κρυογονική συσκευή. Οι επιστήμονες το χρησιμοποιούν σε μια προσπάθεια να συνειδητοποιήσουν τους κβαντικούς υπολογιστές.
Το ψυγείο αραίωσης είναι μια κρυογονική συσκευή,που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Heinz London. Η διαδικασία ψύξης χρησιμοποιεί ένα μείγμα δύο ισοτόπων ηλίου: ³He και 4He. Όταν ψύχεται κάτω από 700 mK, το μείγμα βιώνει αυθόρμητο διαχωρισμό φάσεων, σχηματίζοντας φάσεις πλούσιες σε 3He και πλούσιες σε 4He.
Κοντινό πλάνο της συσκευής σε μη κρυογονικό ψυγείογια να διαλυθεί. Ο σκούρο κόκκινος κυβικός κρύσταλλος στο κέντρο της εικόνας είναι οξείδιο του χαλκού. Πιστώσεις: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka και Makoto Kuwata-Gonokami, Πανεπιστήμιο του Τόκιο
Στη συνέχεια απεικόνισαν απευθείας το εξάιτον BECσε πραγματικό χώρο. Βοηθήθηκαν από απεικόνιση με επαγόμενη απορρόφηση στο εύρος του μεσαίου υπέρυθρου. Αυτός είναι ένας τύπος μικροσκοπίου που χρησιμοποιεί φως στο εύρος του μεσαίου υπέρυθρου. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες μπόρεσαν να κάνουν ακριβείς μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της πυκνότητας και της θερμοκρασίας των εξιτονίων. Με τη σειρά του, αυτό τους επέτρεψε να σημειώσουν τις διαφορές και τις ομοιότητες μεταξύ του εξιτονίου BEC και του συμβατικού ατομικού BEC.
Τι άλλο;
Οι επιστήμονες δεν πρόκειται να σταματήσουν εκείεπιτεύχθηκε. Το επόμενο βήμα τους είναι να μελετήσουν τη δυναμική του σχηματισμού ενός εξιτονικού BEC σε έναν χύμα ημιαγωγό και να μελετήσουν τις συλλογικές διεγέρσεις ενός εξιτονικού BEC.
Ως αποτέλεσμα, οι φυσικοί ελπίζουν να κατασκευάσουν μια πλατφόρμαβασίζεται σε ένα σύστημα εξιτονικών BEC. Αυτό θα βοηθήσει στην αποσαφήνιση των κβαντικών ιδιοτήτων του και στην καλύτερη κατανόηση της κβαντικής μηχανικής των qubits, τα οποία συνδέονται στενά με το περιβάλλον τους.
Διαβάστε περισσότερα:
Το σήμα Starlink παραβιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στο GPS
Το «Χαμπλ» κοίταξε στην «κλειδαρότρυπα» του σύμπαντος
Η NASA αποκάλυψε την προέλευση της Haumea - του πιο μυστηριώδους πλανήτη στο ηλιακό σύστημα
Στο εξώφυλλο: press.princeton.edu