Mokslininkai apibūdino medžiagos kūrimo procesą, pasiekiamą esant „plauko platumo“ temperatūrai nuo absoliutaus nulio.
Kas yra Bose-Einšteino kondensatas?
Bose-Einstein kondensatas – agregacijos būsenamedžiaga, pagrįsta bozonais, atšaldytais iki temperatūros, artimos absoliučiam nuliui. Kartais ji vadinama penktąja materijos būsena kartu su kietosiomis medžiagomis, skysčiais, dujomis ir plazma. Teoriškai prognozuotas XX amžiaus pradžioje, Bose-Einstein kondensatas arba BEC buvo sukurtas laboratorijoje tik 1995 m. Tai taip pat bene keisčiausia materijos būsena, ir daug kas apie ją mokslui lieka nežinoma.
Absoliutus nulis yra temperatūra esantkuriose molekulės sustabdo bet kokį judėjimą. Lygu –273,15 °C arba nuliui pagal Kelvino skalę. Kai temperatūra artėja prie absoliutaus nulio, ima įvykti kai kurie gana keisti reiškiniai.
Nuotrauka: NIST/Wikimedia Commons
BEC atsiranda, kai atomų grupė atvėstasu milijardųjų laipsnių tikslumu virš absoliutaus nulio. Paprastai fizikai naudoja lazerius ir magnetinius spąstus, kad nuolat sumažintų dujų, sudarytų iš rubidžio atomų, temperatūrą. Esant tokiai itin žemai temperatūrai atomai beveik nejuda ir pradeda elgtis labai keistai.
Jie yra tame pačiamekvantinė būsena – beveik kaip koherentiniai fotonai lazeryje – ir pradeda sulipti, užimdami tokį pat tūrį kaip vienas neišsiskiriantis superatomas. Atomų rinkinys iš esmės elgiasi kaip viena dalelė.
Bose-Einstein kondensatas ir kvantinis skaičiavimas
Šiuo metu BEC svarbus fundamentiniamkondensuotų medžiagų sistemų tyrimai ir modeliavimas. Tačiau tai taip pat naudinga apdorojant kvantinę informaciją. Kvantinė kompiuterija, kuri dar tik pradeda kurtis, naudoja įvairias sistemas. Bet jie visi priklauso nuo to, ar kvantiniai bitai arba kubitai yra toje pačioje kvantinėje būsenoje.
Dauguma BEC yra pagaminti iš atskiestų įprastų atomų dujų. Tačiau iki šiol nebuvo įmanoma sukurti kondensato iš egzotiškų atomų.
Kas yra egzotiški atomai?
Egzotiniai atomai yra tie, kuriuoseviena subatominė dalelė, pvz., elektronas ar protonas, pakeičiama kita subatomine dalele su tokiu pat krūviu. Pavyzdžiui, pozitronis yra egzotiškas atomas, susidedantis iš elektrono ir jo teigiamai įkrautos antidalelės pozitrono.
Exciton yra dar vienas atominės „egzotikos“ pavyzdys.Kai šviesa patenka į puslaidininkį, ji turi pakankamai energijos, kad sužadintų elektronus ir pereitų nuo atomo valentinio lygio į jo laidumo lygį. Tada šie sužadinti elektronai laisvai teka elektros srove, iš esmės paversdami šviesos energiją elektros energija. Kai neigiamai įkrautas elektronas atlieka šį „šuolį“, likusią erdvę galima įsivaizduoti kaip teigiamai įkrautą dalelę. Neigiamas elektronas ir teigiama tuščia erdvė pritraukiami ir taip susijungia.
Kartu ši elektronų-erdvinė porayra elektriškai neutrali kvazidalelė, žinoma kaip eksitonas. Kvazidalelė yra į daleles panašus „esinys“, kuris standartiniame dalelių fizikos modelyje nėra laikomas viena iš 17 elementariųjų dalelių.
Standartinis modelis yra teorinė konstrukcijaelementariųjų dalelių fizika, apibūdinanti visų elementariųjų dalelių elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją sąveiką. Šiuolaikinė formulė buvo baigta 2000-aisiais eksperimentiškai patvirtinus kvarkų egzistavimą.
Tačiau ji vis tiek gali turėtielementariosios dalelės savybės – tokios kaip krūvis ir sukimasis. Eksitoninę kvazidalelę taip pat galima apibūdinti kaip egzotinį atomą. Taip yra todėl, kad tai iš tikrųjų yra vandenilio atomas, kurio vienas teigiamas protonas yra pakeistas viena tuštuma su teigiamu krūviu.
Tyrėjai taikė nevienodą įtampą, naudodami objektyvą, sumontuotą po mėginiu (raudonu kubu).
Vaizdo kreditas ir autorių teisės: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ir Makoto Kuwata-Gonokami, Tokijo universitetas
Yra dviejų tipų eksitonai:ortoeksitonai, kuriuose elektrono sukinys yra lygiagretus savo skylės sukiniui, ir paraeksitonai, kuriuose elektronų sukinys yra antilygiagretus (lygiagretus, bet priešinga kryptimi) savo tuštumos (skylės) sukiniui.
Kaip anksčiau buvo naudojamos elektronų tuštumos sistemos?
Buvo naudojamos elektronų skylių sistemoskuriant kitas materijos fazes, pvz., elektronų skylių plazmą ir net eksitoninius skysčio lašelius. Dabar mokslininkai norėjo išsiaiškinti, ar iš eksitonų galėtų sukurti BEC.
Esmė ta, kad tiesioginis eksitono stebėjimaskondensatas trimačiuose puslaidininkiuose buvo labai paklausus nuo tada, kai teoretikai jį pasiūlė 1962 m. Niekas nežinojo, ar kvazidalelės gali kondensuotis Bose-Einstein taip, kaip tikrosios dalelės. Kaip aiškina naujojo tyrimo autoriai, „tai yra žemos temperatūros fizikos Šventasis Gralis“.
Bandymai praeityje
Mokslininkai manė, kad panašus į vandenilįParaeksitonai, sukurti vario okside (Cu₂O), vario ir deguonies junginyje, geriausiai tinka gaminti eksitoninius BEC tūriniuose puslaidininkiuose. Viskas dėl jų ilgo tarnavimo laiko. Dešimtajame dešimtmetyje buvo bandoma sukurti paraeksitoninį BEC esant skysto helio temperatūrai maždaug 2 Kelvinai (-271,15 °C), tačiau jie nebuvo sėkmingi. Problema ta, kad norint sukurti BEC iš eksitonų, reikia daug žemesnės temperatūros nei ši.
Ortoeksitonai negali pasiekti tokio žemo lygiotemperatūros, nes jos yra per trumpos. Tačiau eksperimentiškai gerai žinoma, kad paraeksitonai turi itin ilgą tarnavimo laiką, viršijantį kelis šimtus nanosekundžių, o tai yra pakankamai ilgas, kad jie atvėstų iki norimos BEC temperatūros.
Ką padarė mokslininkai?
Eksperimento metu fizikai sugavoparaeksitonai Cu2O masėje, kurios temperatūra žemesnė nei 400 mK (milikelvinas). Norėdami tai padaryti, jie naudojo tirpinimo šaldytuvą, specialiai kriogeninį įrenginį. Mokslininkai jį naudoja bandydami realizuoti kvantinius kompiuterius.
Skiedimo šaldytuvas yra kriogeninis prietaisas,pirmą kartą pasiūlė Heinzas Londonas. Aušinimo procese naudojamas dviejų helio izotopų mišinys: ³He ir ⁴He. Atvėsus žemiau 700 mK, mišinys patiria savaiminį fazių atsiskyrimą ir susidaro fazės, kuriose gausu 3He ir ⁴He.
Iš arti aparato nekriogeniniame šaldytuvekad ištirptų. Tamsiai raudonas kubinis kristalas vaizdo centre yra vario oksidas. Kreditas: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ir Makoto Kuwata-Gonokami, Tokijo universitetas
Tada jie tiesiogiai pavaizdavo eksitoną BEC realioje erdvėje. Jiems padėjo vaizdavimas su indukuota absorbcija vidutinio infraraudonųjų spindulių diapazone. Tai yra mikroskopijos tipas, kuriame šviesa naudojama vidutinio infraraudonųjų spindulių diapazone. Tokiu būdu mokslininkai galėjo atlikti tikslius matavimus, įskaitant eksitonų tankį ir temperatūrą. Savo ruožtu tai leido jiems pastebėti skirtumus ir panašumus tarp eksitono BEC ir įprasto atominio BEC.
Kas toliau?
Mokslininkai tuo nesiruošia sustotipasiektas. Kitas jų žingsnis yra ištirti eksitoninio BEC susidarymo dinamiką tūriniame puslaidininkyje ir ištirti kolektyvinius eksitoninio BEC sužadinimus.
Dėl to fizikai tikisi sukurti platformąremiantis eksitoninių BEC sistema. Tai padės išsiaiškinti jo kvantines savybes ir geriau suprasti kubitų kvantinę mechaniką, kuri yra stipriai susijusi su jų aplinka.
Skaityti daugiau:
„Starlink“ signalas buvo nulaužtas, kad būtų naudojamas kaip GPS alternatyva
„Hablas“ pažvelgė į visatos „rakto skylutę“.
NASA atskleidė Haumėjos – paslaptingiausios Saulės sistemos planetos – kilmę
Viršelyje: press.princeton.edu