A tudósok leírták az anyag létrehozásának folyamatát, amelyet az abszolút nullától „hajszálnyira” elért hőmérsékleten érnek el.
Mi az a Bose-Einstein kondenzátum?
Bose-Einstein kondenzátum - aggregációs állapotabszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtött bozonokon alapuló anyag. Néha az anyag ötödik halmazállapotának is nevezik, a szilárd anyagokkal, folyadékokkal, gázokkal és plazmával együtt. A 20. század elején elméletileg megjósolt Bose-Einstein kondenzátum vagy BEC csak 1995-ben jött létre a laboratóriumban. Ez az anyag talán legfurcsább halmazállapota is, és sok mindenről ismeretlen a tudomány.
Az abszolút nulla az a hőmérséklet, amelyenamelyben a molekulák bármilyen mozgást leállítanak. Egyenlő –273,15 °C-kal, vagyis nullával a Kelvin-skálán. Amikor a hőmérséklet megközelíti az abszolút nullát, néhány meglehetősen furcsa jelenség kezd bekövetkezni.
Fotó: NIST/Wikimedia Commons
A BEC akkor fordul elő, amikor egy atomcsoport lehűlaz abszolút nulla fok feletti milliárd fokos pontossággal. A fizikusok általában lézereket és mágneses csapdákat használnak a rubídium atomokból álló gáz hőmérsékletének folyamatos csökkentésére. Ilyen rendkívül alacsony hőmérsékleten az atomok alig mozognak, és nagyon furcsán kezdenek viselkedni.
Ugyanabban vannakkvantumállapotba kerül – majdnem olyan, mint a koherens fotonok a lézerben –, és elkezdenek összetapadni, és ugyanolyan térfogatot foglalnak el, mint egy megkülönböztethetetlen szuperatom. Az atomok gyűjteménye lényegében úgy viselkedik, mint egy részecske.
Bose-Einstein kondenzátum és kvantumszámítás
Jelenleg a BEC fontos a fundamentum számárakondenzált anyagrendszerek kutatása és modellezése. Hasznos azonban a kvantuminformáció-feldolgozásban is. A kvantumszámítás, amely még csak a fejlesztés korai szakaszában van, sokféle rendszert használ. De mindegyik attól függ, hogy a kvantumbitek vagy qubitek ugyanabban a kvantumállapotban vannak.
A legtöbb BEC közönséges atomok híg gázaiból készül. De eddig nem lehetett egzotikus atomokból kondenzátumot létrehozni.
Mik azok az egzotikus atomok?
Egzotikus atomok azok, amelyekbenegy szubatomi részecskét, például egy elektront vagy protont, egy másik, azonos töltésű szubatomi részecske helyettesít. A pozitrónium például egy egzotikus atom, amely egy elektronból és annak pozitív töltésű antirészecskéjéből, a pozitronból áll.
Az Exciton az atomi „egzotika” másik példája.Amikor a fény eléri a félvezetőt, elegendő energiája van az elektronok gerjesztéséhez, és az atom vegyértékszintjéről a vezetési szintre lép. Ezek a gerjesztett elektronok ezután szabadon áramlanak elektromos áramban, lényegében a fényenergiát elektromos energiává alakítva. Amikor egy negatív töltésű elektron elvégzi ezt az "ugrást", a fennmaradó tér pozitív töltésű részecskeként fogható fel. A negatív elektron és a pozitív üres tér vonzódik, és így kötődik.
Együtt ez az elektron-térpáregy elektromosan semleges kvázirészecske, amelyet excitonként ismerünk. A kvázirészecske egy részecskeszerű „entitás”, amely a részecskefizikai standard modellben nem tartozik a 17 elemi részecske közé.
A Standard Modell egy elméleti konstrukcióelemi részecskefizika, amely leírja az összes elemi részecske elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatását. A modern készítmény a kvarkok létezésének kísérleti megerősítése után a 2000-es években készült el.
Azonban még mindig lehetaz elemi részecske tulajdonságait - mint például a töltés és a forgás. Egy excitonos kvázirészecskét egzotikus atomként is leírhatjuk. Ez azért van, mert valójában egy hidrogénatom, amelynek egyetlen pozitív protonját egyetlen pozitív töltésű üreg váltja fel.
A kutatók a minta (piros kocka) alá szerelt lencse segítségével nem egyenletes feszültséget alkalmaztak.
A kép forrása és szerzői joga: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka és Makoto Kuwata-Gonokami, Tokiói Egyetem
Kétféle exciton létezik:ortoexcitonok, amelyekben az elektron spin párhuzamos a lyuk spinjével, és paraexcitonok, amelyekben az elektron spinje antiparallel (párhuzamos, de ellentétes irányú) üregének (lyuknak) spinjével.
Hogyan használták az elektronüres rendszereket a múltban?
Elektronlyuk rendszereket használtakmás anyagfázisok létrehozása, például elektronlyuk plazma, sőt exciton folyadékcseppek. A tudósok most azt akarták látni, hogy képesek-e létrehozni egy BEC-t excitonokból.
A lényeg az exciton közvetlen megfigyeléseA háromdimenziós félvezetőben lévő kondenzátumra nagy a kereslet azóta, hogy az elméletalkotók 1962-ben javasolták. Senki sem tudta, hogy a kvázi részecskék ugyanúgy átmennek-e Bose-Einstein kondenzáción, mint a valódi részecskék. Amint az új tanulmány szerzői kifejtik, „ez az alacsony hőmérsékletű fizika Szent Grálja”.
Kísérletek a múltban
A tudósok úgy vélték, hogy a hidrogén-szerűA réz-oxidban (Cu2O), a réz és az oxigén vegyületében létrehozott paraexcitonok a legalkalmasabbak ömlesztett félvezetőkben lévő excitonos BEC-ek előállítására. Mindezt a hosszú élettartamuk miatt. Az 1990-es években történtek kísérletek paraexciton BEC létrehozására körülbelül 2 Kelvin (-271,15 °C) folyékony hélium hőmérsékleten, de nem jártak sikerrel. A probléma az, hogy a BEC excitonokból történő létrehozásához ennél sokkal alacsonyabb hőmérsékletre van szükség.
Az ortoexcitonok nem érhetnek el ilyen alacsony szintethőmérsékletek, mivel túl rövid életűek. Kísérletileg azonban jól ismert, hogy a paraexcitonok rendkívül hosszú, több száz nanoszekundumot meghaladó élettartamúak, ami elég hosszú ahhoz, hogy a kívánt BEC hőmérsékletre lehűtsék őket.
Mit tettek a tudósok?
A kísérlet részeként a fizikusok elkaptákparaexcitonok Cu2O tömegében 400 mK (millikelvin) alatti hőmérsékleten. Ehhez oldóhűtőt, egy kifejezetten kriogén eszközt használtak. A tudósok kvantumszámítógépek megvalósítására használják fel.
A hígító hűtőszekrény egy kriogén eszköz,először Heinz London javasolta. A hűtési folyamat két hélium izotóp keverékét használja: 3He és 4He. Ha 700 mK alá hűtjük, a keverék spontán fázisszétváláson megy keresztül, és 3He-ban gazdag és 4He-ban gazdag fázisok képződnek.
Közeli kép a készülékről egy nem kriogén hűtőbenA kép közepén lévő sötétvörös köbös kristály réz-oxid. Köszönetnyilvánítás: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka és Makoto Kuwata-Gonokami, Tokiói Egyetem
Ezután közvetlenül leképezték a BEC excitont valós térben. Segítségükre a közép-infravörös tartományban indukált abszorpciós képalkotás segített. Ez egy olyan típusú mikroszkóp, amely a középső infravörös tartományban használja a fényt. Így a tudósok pontos méréseket tudtak végezni, beleértve az excitonok sűrűségét és hőmérsékletét. Ez viszont lehetővé tette számukra, hogy észrevegyék az exciton BEC és a hagyományos atomi BEC közötti különbségeket és hasonlóságokat.
Mi a következő?
A tudósok nem fognak itt megállnielért. Következő lépésük egy excitonos BEC képződésének dinamikájának tanulmányozása ömlesztett félvezetőben, valamint egy excitonos BEC kollektív gerjesztéseinek tanulmányozása.
Ennek eredményeként a fizikusok egy platform felépítését remélikexcitonikus BEC-ek rendszerén alapul. Ez segít tisztázni kvantumtulajdonságait, és jobban megérti a qubitek kvantummechanikáját, amelyek erősen kapcsolódnak a környezetükhöz.
Olvass tovább:
A Starlink jelet feltörték, hogy a GPS alternatívájaként használják
"Hubble" az univerzum "kulcslyukába" nézett
A NASA feltárta a Haumea eredetét - a Naprendszer legtitokzatosabb bolygóját
A borítón: press.princeton.edu