과학자들은 절대 영도에서 머리카락 한 올 정도의 온도에서 물질을 생성하는 과정을 설명했습니다.
보스-아인슈타인 응축물이란 무엇입니까?
보스-아인슈타인 응축물 - 응집 상태절대 영도에 가까운 온도로 냉각된 보존을 기반으로 한 물질입니다. 고체, 액체, 기체, 플라즈마와 함께 물질의 제5상태라고도 불린다. 20세기 초 이론적으로 예측된 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein densate), 즉 BEC는 1995년에야 실험실에서 만들어졌습니다. 그것은 아마도 물질의 가장 이상한 상태일 것이며, 그것에 관한 많은 부분은 과학에 알려지지 않은 채로 남아 있습니다.
절대 영도는 온도입니다.분자가 어떤 움직임도 멈추는 곳입니다. –273.15°C 또는 켈빈 척도로는 0입니다. 온도가 절대 영도에 가까워지면 다소 이상한 현상이 발생하기 시작합니다.
사진: NIST/위키미디어 커먼즈
BEC는 원자 그룹이 냉각될 때 발생합니다.절대 영도보다 높은 정확도는 수십억분의 1도입니다. 일반적으로 물리학자들은 루비듐 원자로 구성된 가스의 온도를 지속적으로 낮추기 위해 레이저와 자기 트랩을 사용합니다. 이러한 초저온에서는 원자가 거의 움직이지 않고 매우 이상하게 행동하기 시작합니다.
그들은 같은 곳에 있습니다레이저의 응집성 광자와 거의 같은 양자 상태는 서로 달라붙기 시작하여 구별할 수 없는 하나의 슈퍼원자와 동일한 부피를 차지합니다. 원자의 집합은 본질적으로 하나의 입자처럼 행동합니다.
보스-아인슈타인 응축물 및 양자 컴퓨팅
현재 BEC는 기본적으로 중요합니다.응집 물질 시스템의 연구 및 모델링. 그러나 양자 정보 처리에도 유용합니다. 아직 개발 초기 단계인 양자컴퓨팅은 다양한 시스템을 사용한다. 그러나 그것들은 모두 동일한 양자 상태에 있는 양자 비트 또는 큐비트에 의존합니다.
대부분의 BEC는 일반 원자의 희석 가스로 만들어집니다. 그러나 지금까지 이종 원자로부터 응축물을 생성하는 것은 불가능했습니다.
이국적인 원자는 무엇입니까?
이국적인 원자는전자나 양성자와 같은 하나의 아원자 입자는 동일한 전하를 가진 다른 아원자 입자로 대체됩니다. 예를 들어, 포지트로늄은 전자와 양전하를 띤 반입자인 양전자로 구성된 이국적인 원자입니다.
엑시톤은 원자 “이국주의”의 또 다른 예입니다.빛이 반도체에 닿으면 전자를 여기시키고 원자의 원자가 수준에서 전도 수준으로 이동할 만큼 충분한 에너지를 갖게 됩니다. 이렇게 여기된 전자는 전류 속에서 자유롭게 흐르며 본질적으로 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 음전하를 띤 전자가 이러한 "점프"를 하게 되면 남은 공간은 양전하를 띤 입자로 간주될 수 있습니다. 음의 전자와 양의 빈 공간이 끌어당겨 결합됩니다.
함께 이 전자-공간 쌍엑시톤(exciton)으로 알려진 전기적으로 중성인 준입자이다. 준입자(quasiparticle)는 입자 물리학의 표준 모델에서 17개 기본 입자 중 하나로 간주되지 않는 입자와 같은 "개체"입니다.
표준 모델은 이론적인 구성입니다.모든 소립자의 전자기적, 약하고 강한 상호작용을 설명하는 소립자 물리학. 쿼크의 존재가 실험적으로 확인된 후 2000년대에 현대적 공식이 완성되었습니다.
그러나 그녀는 여전히전하와 회전과 같은 기본 입자의 특성. 엑시톤 준입자는 이국적인 원자로 설명될 수도 있습니다. 이는 실제로 수소 원자이기 때문에 단일 양성 양성자가 양전하를 띤 단일 공극으로 대체되기 때문입니다.
연구진은 샘플(빨간색 큐브) 아래에 장착된 렌즈를 사용하여 불균일한 전압을 가했습니다.
이미지 제공 및 저작권: 모리타 유스케, 요시오카 코스케, 쿠와타 고노카미 마코토, 도쿄 대학
엑시톤에는 두 가지 유형이 있습니다.전자 스핀이 정공의 스핀과 평행한 오르토엑시톤과 전자 스핀이 공극(정공)의 스핀과 역평행(평행이지만 반대 방향)인 파라엑시톤이 있습니다.
전자 보이드 시스템은 과거에 어떻게 사용되었습니까?
전자-정공 시스템은 다음 용도로 사용되었습니다.전자-정공 플라즈마 및 여기자 액체 방울과 같은 물질의 다른 단계를 생성합니다. 이제 과학자들은 여기자로부터 BEC를 생성할 수 있는지 확인하고 싶었습니다.
요점은 엑시톤을 직접 관찰하는 것입니다.3차원 반도체의 응축수는 이론가들이 1962년에 제안한 이후 높은 수요를 받아왔습니다. 준입자가 실제 입자와 같은 방식으로 보스-아인슈타인 응축을 겪을 수 있는지는 아무도 몰랐습니다.” 새로운 연구의 저자들이 설명했듯이 "이것은 저온 물리학의 성배와 같습니다."
과거의 시도
과학자들은 수소와 유사하다고 믿었습니다.구리와 산소의 화합물인 산화제1구리(Cu2O)에서 생성된 파라엑시톤은 벌크 반도체의 엑시톤 BEC를 제조하는 데 가장 적합합니다. 모두 수명이 길기 때문입니다. 약 2켈빈(-271.15°C)의 액체 헬륨 온도에서 파라엑시톤 BEC를 생성하려는 시도가 1990년대에 이루어졌으나 성공하지 못했습니다. 문제는 엑시톤으로부터 BEC를 생성하려면 이보다 훨씬 낮은 온도가 필요하다는 것입니다.
오르소엑시톤은 그렇게 낮은 수준에 도달할 수 없습니다온도가 너무 짧기 때문입니다. 그러나 파라엑시톤의 수명은 수백 나노초를 초과하여 원하는 BEC 온도로 냉각시킬 수 있을 만큼 길다는 것이 실험적으로 잘 알려져 있습니다.
과학자들은 무엇을 했습니까?
실험의 일환으로 물리학자들은온도가 400mK(밀리켈빈) 미만인 Cu2O 덩어리의 파라엑시톤. 이를 위해 그들은 특히 극저온 장치인 용해 냉장고를 사용했습니다. 과학자들은 양자 컴퓨터를 실현하기 위해 이를 사용하고 있습니다.
희석냉장고는 극저온 장치로,Heinz London이 처음 제안했습니다. 냉각 과정은 두 가지 헬륨 동위원소 ³He 및 ⁴He의 혼합물을 사용합니다. 700mK 이하로 냉각되면 혼합물은 자발적인 상 분리를 경험하여 ³He가 풍부하고 ⁴He가 풍부한 상을 형성합니다.
비극저온 냉장고의 장치 클로즈업이미지 중앙에 있는 진한 빨간색 입방체 결정은 산화제1구리입니다. 제공: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka 및 Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
그런 다음 엑시톤 BEC를 직접 이미지화했습니다.실제 공간에서. 중적외선 범위에서 유도된 흡수를 이용한 이미징이 도움이 되었습니다. 이것은 중적외선 범위의 빛을 사용하는 일종의 현미경입니다. 이러한 방식으로 과학자들은 엑시톤의 밀도와 온도를 포함하여 정확한 측정을 수행할 수 있었습니다. 결과적으로, 이는 엑시톤 BEC와 기존 원자 BEC 사이의 차이점과 유사점을 지적할 수 있게 해주었습니다.
다음은 무엇입니까?
과학자들은 여기서 멈추지 않을 것이다달성. 그들의 다음 단계는 벌크 반도체에서 엑시톤 BEC 형성의 역학을 연구하고 엑시톤 BEC의 집단 여기를 연구하는 것입니다.
결과적으로 물리학자들은 플랫폼을 구축하기를 희망합니다.엑시톤 BEC 시스템을 기반으로 합니다. 이는 양자 특성을 설명하고 환경과 강력하게 결합된 큐비트의 양자 역학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
더 읽어보기 :
Starlink 신호 해킹, GPS 대신 사용
우주의 '열쇠구멍'을 들여다본 '허블'
NASA, 태양계에서 가장 신비한 행성인 하우메아의 기원 밝혀
표지: press.princeton.edu