Znanstvenici su opisali proces stvaranja tvari postignut na temperaturi "za dlaku" od apsolutne nule.
Što je Bose-Einsteinov kondenzat?
Bose-Einsteinov kondenzat – agregatno stanjetvar koja se temelji na bozonima ohlađenim na temperature blizu apsolutne nule. Ponekad se naziva peto agregatno stanje, zajedno s čvrstim tvarima, tekućinama, plinovima i plazmom. Teoretski predviđen početkom 20. stoljeća, Bose-Einsteinov kondenzat, ili BEC, nastao je u laboratoriju tek 1995. godine. To je također možda i najčudnije stanje materije, a mnogo toga o njemu ostaje nepoznato znanosti.
Apsolutna nula je temperatura priu kojem molekule zaustavljaju svako kretanje. Jednako je –273,15 °C ili nuli na Kelvinovoj ljestvici. Kada se temperatura približi apsolutnoj nuli, počinju se događati neki prilično čudni fenomeni.
Fotografija: NIST/Wikimedia Commons
BEC nastaje kada se skupina atoma hladis točnost do milijarditih dijelova stupnja iznad apsolutne nule. Tipično, fizičari koriste lasere i magnetske zamke za kontinuirano snižavanje temperature plina koji se sastoji od atoma rubidija. Na tako ultraniskoj temperaturi, atomi se gotovo ne pomiču i počinju se ponašati vrlo čudno.
U istoj sukvantno stanje—gotovo poput koherentnih fotona u laseru—i počinju se lijepiti zajedno, zauzimajući isti volumen kao jedan nerazlučivi superatom. Zbirka atoma u biti se ponaša kao jedna čestica.
Bose-Einsteinov kondenzat i kvantno računalstvo
U ovom trenutku, BEC je važan za fundamentalneistraživanje i modeliranje sustava kondenzirane tvari. Međutim, također je koristan u kvantnoj obradi informacija. Kvantno računalstvo, koje je još uvijek u ranoj fazi razvoja, koristi različite sustave. Ali svi oni ovise o tome da su kvantni bitovi ili kubiti u istom kvantnom stanju.
Većina BEC-ova napravljena je od razrijeđenih plinova običnih atoma. Ali do sada nije bilo moguće stvoriti kondenzat od egzotičnih atoma.
Što su egzotični atomi?
Egzotični atomi su oni u kojimajedna subatomska čestica, poput elektrona ili protona, zamijenjena je drugom subatomskom česticom s istim nabojem. Pozitronij je, na primjer, egzotičan atom koji se sastoji od elektrona i njegove pozitivno nabijene antičestice, pozitrona.
Eksciton je još jedan primjer atomske "egzotike".Kada svjetlost pogodi poluvodič, ona ima dovoljno energije da pobudi elektrone i pređe s valentne razine atoma na njegovu vodljivu razinu. Ti pobuđeni elektroni zatim slobodno teku u električnoj struji, u biti pretvarajući svjetlosnu energiju u električnu energiju. Kada negativno nabijeni elektron napravi ovaj "skok", preostali prostor se može smatrati pozitivno nabijenom česticom. Negativni elektron i pozitivni prazan prostor se privlače i na taj način vežu.
Zajedno ovaj elektron-prostorni parje električki neutralna kvazičestica poznata kao eksciton. Kvazičestica je "entitet" sličan čestici koji se ne smatra jednom od 17 elementarnih čestica u Standardnom modelu fizike čestica.
Standardni model je teorijski konstrukt ufizika elementarnih čestica, koja opisuje elektromagnetsku, slabu i jaku interakciju svih elementarnih čestica. Moderna formulacija dovršena je 2000-ih nakon eksperimentalne potvrde postojanja kvarkova.
Međutim, možda ipak jestsvojstva elementarne čestice – kao što su naboj i rotacija. Ekscitonska kvazičestica također se može opisati kao egzotični atom. To je zato što je to zapravo atom vodika, s jednim pozitivnim protonom zamijenjenim jednom prazninom s pozitivnim nabojem.
Istraživači su primijenili nejednolik napon pomoću leće postavljene ispod uzorka (crvena kocka).
Zasluge za sliku i autorska prava: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka i Makoto Kuwata-Gonokami, Sveučilište u Tokiju
Postoje dvije vrste ekscitona:ortoekscitoni, kod kojih je spin elektrona paralelan sa spinom njegove rupe, i paraekscitoni, kod kojih je spin elektrona antiparalelan (paralelan, ali u suprotnom smjeru) sa spinom njegove šupljine (rupe).
Kako su se sustavi elektron-praznina koristili u prošlosti?
Sustavi elektron-rupa korišteni su zastvarajući druge faze materije, kao što je plazma elektron-rupa, pa čak i ekscitonične kapljice tekućine. Sada su znanstvenici željeli vidjeti mogu li stvoriti BEC od ekscitona.
Stvar je u tome da izravno promatranje ekscitonakondenzat u trodimenzionalnom poluvodiču bio je u velikoj potražnji otkad su ga teoretičari predložili 1962. Nitko nije znao mogu li kvazičestice proći kroz Bose-Einsteinovu kondenzaciju na isti način kao prave čestice.” Kako objašnjavaju autori nove studije, "ovo je nešto poput Svetog grala fizike niskih temperatura."
Pokušaji u prošlosti
Znanstvenici su vjerovali da poput vodikaParaekscitoni stvoreni u bakrovom oksidu (Cu₂O), spoju bakra i kisika, najprikladniji su za izradu ekscitonskih BEC-ova u masovnim poluvodičima. Sve zbog dugog vijeka trajanja. Pokušaji stvaranja paraekscitona BEC na temperaturama tekućeg helija od oko 2 Kelvina (-271,15 °C) učinjeni su još 1990-ih, ali nisu bili uspješni. Problem je u tome što su za stvaranje BEC-a iz ekscitona potrebne temperature puno niže od ove.
Ortoekscitoni ne mogu doseći tako niskotemperature, jer su prekratkotrajne. Međutim, eksperimentalno je dobro poznato da paraekscitoni imaju iznimno dug životni vijek, koji prelazi nekoliko stotina nanosekundi, što je dovoljno dugo da se ohlade na željenu BEC temperaturu.
Što su znanstvenici učinili?
U sklopu eksperimenta, fizičari su uhvatiliparaekscitoni u masi Cu₂O s temperaturom ispod 400 mK (milikelvina). Da bi to učinili, koristili su hladnjak za otapanje, posebno kriogeni uređaj. Znanstvenici ga koriste u pokušaju da realiziraju kvantna računala.
Hladnjak za razrjeđivanje je kriogeni uređaj,prvi predložio Heinz London. Proces hlađenja koristi mješavinu dva izotopa helija: ³He i ⁴He. Kada se ohladi ispod 700 mK, smjesa doživljava spontano razdvajanje faza, formirajući faze bogate ³He i bogate 4He.
Krupni plan aparata u nekriogenom hladnjakuda se otopi. Tamnocrveni kubični kristal u središtu slike je bakrov oksid. Zasluge: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka i Makoto Kuwata-Gonokami, Sveučilište u Tokiju
Zatim su izravno slikali eksciton BECu stvarnom prostoru. Pomoglo im je snimanje s induciranom apsorpcijom u srednjem infracrvenom području. Ovo je vrsta mikroskopije koja koristi svjetlo u srednjem infracrvenom rasponu. Na taj su način znanstvenici mogli napraviti precizna mjerenja, uključujući gustoću i temperaturu ekscitona. Zauzvrat, to im je omogućilo da uoče razlike i sličnosti između ekscitonskog BEC-a i konvencionalnog atomskog BEC-a.
Što je sljedeće?
Znanstvenici neće tu statipostignuto. Njihov sljedeći korak je proučavanje dinamike formiranja ekscitonskog BEC-a u masivnom poluvodiču i proučavanje kolektivnih pobuda ekscitonskog BEC-a.
Kao rezultat toga, fizičari se nadaju da će izgraditi platformutemeljen na sustavu ekscitonskih BEC-ova. To će pomoći u razjašnjavanju njegovih kvantnih svojstava i boljem razumijevanju kvantne mehanike kubita, koji su snažno povezani s okolinom.
Čitaj više:
Starlink signal hakiran kako bi se koristio kao alternativa GPS-u
"Hubble" je pogledao u "ključanicu" svemira
NASA je otkrila podrijetlo Haumee - najtajanstvenijeg planeta Sunčevog sustava
Na naslovnici: press.princeton.edu