המצב החמישי של החומר שנוצר: איך עשו זאת הפיזיקאים

מדענים תיארו את תהליך יצירת החומר המושג בטמפרטורה של "רוחב שערה" מהאפס המוחלט.

מהו קונדנסט של Bose-Instein?

עיבוי בוז-איינשטיין הוא מצב מצרפי של חומר המבוסס עלהבוזונים התקררו לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט.חיזוי תיאורטי בתחילת המאה ה-20 , עיבויסדרת בוז-איינשטיין, או BEC, נוצרה במעבדה רק בשנת  1995.זה גם אולי המצב המוזר ביותר של החומר, והרבה על זה נשאר לא ידוע למדע.

האפס המוחלט הוא הטמפרטורה בשבו מולקולות עוצרות כל תנועה. שווה ל-273.15 מעלות צלזיוס, או אפס בסולם קלווין. כשהטמפרטורה מתקרבת לאפס המוחלט, מתחילות להתרחש כמה תופעות מוזרות למדי.

צילום: NIST/Wikimedia Commons

BEC מתרחש כאשר קבוצת אטומים מתקררתעם דיוק עד מיליארדיות המעלה מעל האפס המוחלט. בדרך כלל, פיזיקאים משתמשים בלייזרים ובמלכודות מגנטיות כדי להוריד ללא הרף את הטמפרטורה של גז המורכב מאטומי רובידיום. בטמפרטורה כה נמוכה, האטומים כמעט ולא זזים ומתחילים להתנהג בצורה מוזרה מאוד.

הם באותו הדברמצב קוונטי - כמעט כמו פוטונים קוהרנטיים בלייזר - ומתחילים להיצמד זה לזה, תופסים אותו נפח כמו סופראטום אחד שאי אפשר להבחין בו. אוסף של אטומים בעצם מתנהג כמו חלקיק אחד.

קונדנסט Bose-Instein ומחשוב קוונטי

כרגע, BEC חשוב לבסיסמחקר ומידול של מערכות חומר מעובה. עם זאת, זה שימושי גם בעיבוד מידע קוונטי. מחשוב קוונטי, שעדיין נמצא בשלבי הפיתוח המוקדמים שלו, משתמש במגוון מערכות. אבל כולם תלויים בסיביות קוונטיות, או קיוביטים, שנמצאים באותו מצב קוונטי.

רוב ה-BEC עשויים מגזים מדוללים של אטומים רגילים. אבל עד עכשיו לא ניתן היה ליצור עיבוי מאטומים אקזוטיים.

מהם אטומים אקזוטיים?

אטומים אקזוטיים הם אלה שבהםחלקיק תת-אטומי אחד, כמו אלקטרון או פרוטון, מוחלף בחלקיק תת-אטומי אחר בעל אותו מטען. פוזיטרון, למשל, הוא אטום אקזוטי המורכב מאלקטרון ומהאנטי-חלקיק הטעון חיובי שלו, הפוזיטרון.

אקסיטון היא דוגמה נוספת ל"אקזוטיות" אטומית.כאשר האור פוגע במוליך למחצה, יש לו מספיק אנרגיה כדי לעורר אלקטרונים ולעבור מרמת הערכיות של האטום לרמת ההולכה שלו. האלקטרונים הנרגשים הללו זורמים בחופשיות בזרם חשמלי, ובעצם הופכים אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית. כאשר אלקטרון בעל מטען שלילי מבצע את ה"קפיצה" הזו, ניתן לחשוב על החלל הנותר כחלקיק בעל מטען חיובי. האלקטרון השלילי והחלל הריק החיובי נמשכים וכך מתחברים.

ביחד זוג אלקטרונים-מרחבי זההוא קוואזי-חלקיק נייטרלי חשמלי המכונה אקציטון. קוואזי-חלקיק הוא "ישות" דמוית חלקיק שאינה נחשבת לאחד מ-17 החלקיקים היסודיים במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

המודל הסטנדרטי הוא מבנה תיאורטי בפיזיקת חלקיקים יסודיים, המתארת ​​את האינטראקציה האלקטרומגנטית, החלשה והחזקה של כל החלקיקים היסודיים. הניסוח המודרני הושלם בשנות ה-2000 לאחר אישור ניסיוני לקיומם של קווארקים.

עם זאת, ייתכן שהיא עדיין עשתה זאתתכונות של חלקיק יסודי - כמו מטען וסיבוב. ניתן לתאר קוואזי-חלקיק אקציטוני גם כאטום אקזוטי. הסיבה לכך היא שהוא למעשה אטום מימן, כאשר הפרוטון החיובי היחיד שלו מוחלף בחלל בודד עם מטען חיובי.

החוקרים הפעילו מתח לא אחיד באמצעות עדשה המותקנת מתחת לדגימה (קוביה אדומה).
קרדיט תמונה וזכויות יוצרים: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka, ו-Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo

ישנם שני סוגים של אקסיטונים:אורתואקסציונים, שבהם ספין האלקטרון מקביל לספין של החור שלו, ו-paraexcitons, שבהם ספין האלקטרונים הוא אנטי-מקביל (מקביל, אבל בכיוון ההפוך) לספין של הריק שלו (חור).

כיצד נעשה שימוש במערכות חלל אלקטרונים בעבר?

מערכות חור אלקטרוני שימשו עבוריצירת שלבים אחרים של החומר, כמו פלזמה של חור אלקטרוני ואפילו טיפות נוזל אקציטוניות. עכשיו המדענים רצו לראות אם הם יכולים ליצור BEC מאקסיטונים.

הנקודה היא התבוננות ישירה באקסיטוןקונדנסט במוליך למחצה תלת מימדי זכה לביקוש גבוה מאז שתיאורטיקנים הציעו אותו ב-1962. אף אחד לא ידע אם קוואזי-חלקיקים יכולים לעבור עיבוי Bose-Instein באותו אופן כמו חלקיקים אמיתיים". כפי שמסבירים מחברי המחקר החדש, "זהו הגביע הקדוש של הפיזיקה בטמפרטורה נמוכה".

ניסיונות בעבר

מדענים האמינו שדומה למימןParaexcitons שנוצרו בתחמוצת קופרוס (Cu₂O), תרכובת של נחושת וחמצן, מתאימים ביותר לייצור BECs אקציטוניים במוליכים למחצה בתפזורת. הכל בגלל אורך החיים הארוך שלהם. ניסיונות ליצור paraexciton BEC בטמפרטורות הליום נוזלי של כ-2 קלווין (-271.15 מעלות צלזיוס) נעשו עוד בשנות ה-90, אך לא הצליחו. הבעיה היא שיצירת BEC מאקסיטונים דורשת טמפרטורות נמוכות בהרבה מזה.

Orthoexcitons לא יכולים להגיע לשפל כזהטמפרטורות, מכיוון שהן קצרות מדי. עם זאת, ידוע היטב בניסוי שלפראקציונים יש משך חיים ארוכים במיוחד, העולה על כמה מאות ננו-שניות, שהוא ארוך מספיק כדי לקרר אותם לטמפרטורת BEC הרצויה.

מה עשו המדענים?

כחלק מהניסוי, תפסו פיזיקאיםparaexcitons במסה של Cu₂O עם טמפרטורה מתחת ל-400 mK (milllikelvin). לשם כך, הם השתמשו במקרר התמוססות, מכשיר קריוגני במיוחד. מדענים משתמשים בו בניסיון לממש מחשבים קוונטיים.

מקרר הדילול הוא מכשיר קריוגני,הוצע לראשונה על ידי היינץ לונדון. תהליך הקירור משתמש בתערובת של שני איזוטופים הליום: ³He ו⁴He. כאשר מקורר מתחת ל-700 mK, התערובת חווה הפרדת פאזות ספונטנית, ויוצרת שלבים עשירים ב-³He ועשירים ב-⁴He.

תקריב של המכשיר במקרר לא קריוגנילהתמוסס. הגביש האדום הכהה במרכז התמונה הוא תחמוצת קופרוס. קרדיט: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka, ו-Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo

לאחר מכן הם צילמו ישירות את האקסיטון BECבמרחב האמיתי. הם נעזרו בהדמיה עם קליטה מושרה בטווח האינפרא אדום האמצעי. זהו סוג של מיקרוסקופיה המשתמשת באור בטווח האינפרא אדום הבינוני. בדרך זו, מדענים הצליחו לבצע מדידות מדויקות, כולל צפיפות וטמפרטורה של אקסיטונים. בתורו, זה איפשר להם לציין את ההבדלים והדמיון בין exciton BEC לבין BEC אטומי קונבנציונלי.

מה הלאה?

מדענים לא מתכוונים לעצור שםהושג. הצעד הבא שלהם הוא ללמוד את הדינמיקה של היווצרות BEC אקסיטוני במוליך למחצה בתפזורת ולחקור את העירורים הקולקטיביים של BEC אקסיטוניים.

כתוצאה מכך, פיזיקאים מקווים לבנות פלטפורמהמבוסס על מערכת של BECs אקסיטוניים. זה יעזור להבהיר את התכונות הקוונטיות שלו ולהבין טוב יותר את מכניקת הקוונטים של קיוביטים, המקושרים היטב לסביבתם.

קרא עוד:

אות Starlink נפרץ כדי לשמש כחלופה ל-GPS

"האבל" הביט לתוך "חור המנעול" של היקום

נאס"א חשפה את מקורו של האומאה - כוכב הלכת המסתורי ביותר במערכת השמש

על הכריכה: press.princeton.edu