Tutkijat ovat kuvanneet prosessin aineen luomiseksi, joka saavutetaan lämpötilassa "hiuksen leveys" absoluuttisesta nollasta.
Mikä on Bose-Einstein-kondensaatti?
Bose-Einstein-kondensaatti - aggregaatiotilaaine, joka perustuu bosoneihin, jotka on jäähdytetty lähellä absoluuttista nollaa. Sitä kutsutaan joskus aineen viidenneksi tilaksi kiinteiden aineiden, nesteiden, kaasujen ja plasman ohella. Teoreettisesti 1900-luvun alussa ennustettu Bose-Einstein-kondensaatti eli BEC syntyi laboratoriossa vasta vuonna 1995. Se on myös ehkä oudoin aineen tila, ja paljon siitä jää tieteelle tuntemattomaksi.
Absoluuttinen nolla on lämpötilajossa molekyylit pysäyttävät kaiken liikkeen. Vastaa –273,15 °C tai nollaa Kelvin-asteikolla. Kun lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa, alkaa tapahtua joitain melko outoja ilmiöitä.
Kuva: NIST/Wikimedia Commons
BEC tapahtuu, kun atomiryhmä jäähtyyasteen tarkkuudella absoluuttisen nollan yläpuolella. Tyypillisesti fyysikot käyttävät lasereita ja magneettisia ansoja alentamaan jatkuvasti rubidiumatomeista koostuvan kaasun lämpötilaa. Tällaisessa erittäin alhaisessa lämpötilassa atomit tuskin liikkuvat ja alkavat käyttäytyä hyvin oudosti.
Ne ovat samassakvanttitila - melkein kuin koherentit fotonit laserissa - ja alkavat tarttua yhteen ja vievät saman tilavuuden kuin yksi erottamaton superatomi. Joukko atomia käyttäytyy olennaisesti kuin yksi hiukkanen.
Bose-Einsteinin kondensaatti ja kvanttilaskenta
Tällä hetkellä BEC on tärkeä fundamentillekondensoituneiden aineiden järjestelmien tutkimus ja mallintaminen. Se on kuitenkin hyödyllinen myös kvanttitietojen käsittelyssä. Kvanttilaskenta, joka on vielä kehitysvaiheessa, käyttää erilaisia järjestelmiä. Mutta ne kaikki riippuvat siitä, että kvanttibitit tai kubitit ovat samassa kvanttitilassa.
Useimmat BEC:t on valmistettu tavallisten atomien laimeista kaasuista. Mutta toistaiseksi ei ole ollut mahdollista luoda kondensaattia eksoottisista atomeista.
Mitä ovat eksoottiset atomit?
Eksoottisia atomeja ovat ne, joissayksi subatominen hiukkanen, kuten elektroni tai protoni, korvataan toisella subatomisella hiukkasella, jolla on sama varaus. Esimerkiksi positronium on eksoottinen atomi, joka koostuu elektronista ja sen positiivisesti varautuneesta antihiukkasesta, positronista.
Exciton on toinen esimerkki atomisesta "eksotiikkasta".Kun valo osuu puolijohteeseen, sillä on tarpeeksi energiaa virittääkseen elektroneja ja siirtyäkseen atomin valenssitasolta sen johtavuustasolle. Nämä viritetyt elektronit virtaavat sitten vapaasti sähkövirrassa ja muuttavat valoenergian olennaisesti sähköenergiaksi. Kun negatiivisesti varautunut elektroni tekee tämän "hypyn", jäljellä oleva tila voidaan ajatella positiivisesti varautuneena hiukkasena. Negatiivinen elektroni ja positiivinen tyhjä tila vetäytyvät ja siten sitoutuvat.
Yhdessä tämä elektroni-avaruusparion sähköisesti neutraali kvasihiukkanen, joka tunnetaan nimellä eksiton. Kvasihiukkanen on hiukkasen kaltainen "kokonaisuus", jota ei pidetä yhtenä 17 alkuainehiukkasesta hiukkasfysiikan vakiomallissa.
Standardimalli on teoreettinen konstruktioalkuainehiukkasfysiikka, joka kuvaa kaikkien alkuainehiukkasten sähkömagneettista, heikkoa ja voimakasta vuorovaikutusta. Moderni formulaatio valmistui 2000-luvulla sen jälkeen, kun kvarkkien olemassaolo oli kokeellisesti vahvistettu.
Hänellä saattaa kuitenkin ollaalkuainehiukkasen ominaisuudet - kuten varaus ja pyöriminen. Eksitonista kvasihiukkasta voidaan myös kuvata eksoottiseksi atomiksi. Tämä johtuu siitä, että se on itse asiassa vetyatomi, jonka yksi positiivinen protoni on korvattu yhdellä tyhjällä positiivisella varauksella.
Tutkijat käyttivät epätasaista jännitettä käyttämällä näytteen alle asennettua linssiä (punainen kuutio).
Kuvan luotto ja tekijänoikeudet: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ja Makoto Kuwata-Gonokami, Tokion yliopisto
Excitoneja on kahta tyyppiä:ortoeksitonit, joissa elektronin spin on yhdensuuntainen aukkonsa spinin kanssa, ja paraeksitonit, joissa elektronin spin on antirinnakkais (samansuuntainen, mutta vastakkaiseen suuntaan) tyhjän (reiän) spinin kanssa.
Miten elektronityhjiöjärjestelmiä käytettiin menneisyydessä?
Elektronireikäjärjestelmiä on käytettyluoda muita aineen vaiheita, kuten elektronireikäplasmaa ja jopa eksitonisia nestepisaroita. Nyt tiedemiehet halusivat nähdä, pystyisivätkö he luomaan BEC:n eksitoneista.
Pointti on eksitonin suora havainnointiKolmiulotteisen puolijohteen kondensaatilla on ollut suuri kysyntä siitä lähtien, kun teoreetikot ehdottivat sitä vuonna 1962. Kukaan ei tiennyt, voivatko kvasihiukkaset altistaa Bose-Einsteinin kondensaatiolle samalla tavalla kuin todelliset hiukkaset. Kuten uuden tutkimuksen kirjoittajat selittävät, "tämä on jonkinlainen matalan lämpötilan fysiikan pyhä malja."
Yrityksiä menneisyydessä
Tutkijat uskoivat, että vedyn kaltainenKuparioksidissa (Cu₂O), kuparin ja hapen yhdisteessä luodut paraeksitonit soveltuvat parhaiten eksitonisten BEC:ien valmistukseen massapuolijohteissa. Kaikki niiden pitkän käyttöiän takia. Yrityksiä luoda paraeksitoni BEC nestemäisen heliumin lämpötiloissa noin 2 kelviniä (-271,15 °C) tehtiin jo 1990-luvulla, mutta ne eivät onnistuneet. Ongelmana on, että BEC:n luominen eksitoneista vaatii paljon tätä alhaisempia lämpötiloja.
Ortoeksitonit eivät voi saavuttaa niin matalaa tasoalämpötilat, koska ne ovat liian lyhytikäisiä. Kokeellisesti tiedetään kuitenkin hyvin, että paraeksitonien elinikä on erittäin pitkä, yli useita satoja nanosekunteja, mikä on tarpeeksi pitkä jäähdyttämään ne haluttuun BEC-lämpötilaan.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Osana koetta fyysikot saivat kiinniparaeksitonit Cu2O-massassa, jonka lämpötila on alle 400 mK (millikelvin). Tätä varten he käyttivät liuotusjääkaappia, erityisesti kryogeenistä laitetta. Tiedemiehet käyttävät sitä yrittäessään toteuttaa kvanttitietokoneita.
Laimennusjääkaappi on kryogeeninen laite,Heinz London ehdotti ensin. Jäähdytysprosessissa käytetään kahden heliumisotoopin seosta: ³He ja ⁴He. Jäähdytettynä alle 700 mK:n seoksessa tapahtuu spontaani faasierottuminen, jolloin muodostuu faaseja, joissa on runsaasti 3He:tä ja runsaasti 4He:tä.
Lähikuva laitteesta ei-kryogeenisessä jääkaapissaliukenemaan. Kuvan keskellä oleva tummanpunainen kuutiokide on kuparioksidia. Luvut: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ja Makoto Kuwata-Gonokami, Tokion yliopisto
Sitten he kuvasivat suoraan eksitonin BEC todellisessa avaruudessa. Heitä auttoi kuvantaminen indusoidulla absorptiolla keski-infrapuna-alueella. Tämä on eräänlainen mikroskopia, joka käyttää valoa infrapuna-alueen keskialueella. Tällä tavalla tutkijat pystyivät tekemään tarkkoja mittauksia, mukaan lukien eksitonien tiheys ja lämpötila. Tämä puolestaan antoi heille mahdollisuuden havaita erot ja yhtäläisyydet eksitoni-BEC:n ja tavanomaisen atomi-BEC:n välillä.
Mitä seuraavaksi?
Tiedemiehet eivät aio lopettaa tähänsaavutettu. Heidän seuraava askelensa on tutkia eksitonisen BEC:n muodostumisen dynamiikkaa bulkkipuolijohteessa ja tutkia eksitonisen BEC:n kollektiivisia viritteitä.
Tämän seurauksena fyysikot toivovat rakentavansa alustanperustuu eksitonisten BEC:ien järjestelmään. Tämä auttaa selvittämään sen kvanttiominaisuuksia ja ymmärtämään paremmin kubittien kvanttimekaniikkaa, joka on vahvasti kytketty ympäristöönsä.
Lue lisää:
Starlink-signaali hakkeroitu käytettäväksi vaihtoehtona GPS:lle
"Hubble" katsoi maailmankaikkeuden "avaimenreikään".
NASA paljasti Haumean alkuperän - aurinkokunnan salaperäisimmän planeetan
Kannessa: press.princeton.edu