Zinātnieki ir aprakstījuši vielas radīšanas procesu, kas sasniegts temperatūrā “mata platumā” no absolūtās nulles.
Kas ir Bose-Einšteina kondensāts?
Bozes-Einšteina kondensāts - agregācijas stāvoklisviela, kuras pamatā ir bozoni, kas atdzesēti līdz absolūtai nullei tuvu temperatūrai. To dažreiz sauc par vielas piekto stāvokli kopā ar cietām vielām, šķidrumiem, gāzēm un plazmu. Teorētiski prognozēts 20. gadsimta sākumā, Bozes-Einšteina kondensāts jeb BEC tika izveidots laboratorijā tikai 1995. gadā. Tas arī, iespējams, ir visdīvainākais matērijas stāvoklis, un daudz kas par to zinātnei joprojām nav zināms.
Absolūtā nulle ir temperatūra piekurā molekulas aptur jebkādu kustību. Atbilst –273,15 °C vai nullei pēc Kelvina skalas. Kad temperatūra tuvojas absolūtajai nullei, sāk parādīties diezgan dīvainas parādības.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC rodas, kad atomu grupa atdziestar precizitāti līdz grāda miljarddaļām virs absolūtās nulles. Parasti fiziķi izmanto lāzerus un magnētiskos slazdus, lai nepārtraukti pazeminātu rubīdija atomu gāzes temperatūru. Tik ļoti zemā temperatūrā atomi gandrīz nekustas un sāk uzvesties ļoti dīvaini.
Viņi atrodas vienā un tajā pašākvantu stāvoklis — gandrīz kā koherenti fotoni lāzerā — un sāk turēties kopā, aizņemot tādu pašu tilpumu kā viens neatšķirams superatoms. Atomu kolekcija būtībā uzvedas kā viena daļiņa.
Bozes-Einšteina kondensāts un kvantu skaitļošana
Šobrīd BEC ir svarīga fundamentālamkondensēto vielu sistēmu izpēte un modelēšana. Tomēr tas ir noderīgs arī kvantu informācijas apstrādē. Kvantu skaitļošanā, kas joprojām ir agrīnā attīstības stadijā, tiek izmantotas dažādas sistēmas. Bet tie visi ir atkarīgi no tā, ka kvantu biti jeb kubiti atrodas vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī.
Lielākā daļa BEC ir izgatavoti no parasto atomu atšķaidītām gāzēm. Taču līdz šim nav bijis iespējams izveidot kondensātu no eksotiskiem atomiem.
Kas ir eksotiskie atomi?
Eksotiskie atomi ir tie, kurosviena subatomiskā daļiņa, piemēram, elektrons vai protons, tiek aizstāta ar citu subatomisku daļiņu ar tādu pašu lādiņu. Piemēram, pozitronijs ir eksotisks atoms, kas sastāv no elektrona un tā pozitīvi lādētas antidaļiņas, pozitrona.
Exciton ir vēl viens atomu "eksotikas" piemērs.Kad gaisma saskaras ar pusvadītāju, tai ir pietiekami daudz enerģijas, lai ierosinātu elektronus un pārietu no atoma valences līmeņa uz tā vadītspējas līmeni. Šie ierosinātie elektroni pēc tam brīvi plūst elektriskā strāvā, būtībā pārvēršot gaismas enerģiju elektroenerģijā. Kad negatīvi lādēts elektrons veic šo "lēcienu", atlikušo telpu var uzskatīt par pozitīvi lādētu daļiņu. Negatīvs elektrons un pozitīvā tukšā telpa tiek piesaistīti un tādējādi tiek savienoti.
Kopā šis elektronu-telpiskais pārisir elektriski neitrāla kvazidaļiņa, kas pazīstama kā eksitons. Kvazidaļiņa ir daļiņai līdzīga “vienība”, kas netiek uzskatīta par vienu no 17 elementārdaļiņām daļiņu fizikas standarta modelī.
Standarta modelis ir teorētiska konstrukcijaelementārdaļiņu fizika, aprakstot visu elementārdaļiņu elektromagnētisko, vājo un spēcīgo mijiedarbību. Mūsdienu formulējums tika pabeigts 2000. gados pēc eksperimentālas kvarku esamības apstiprināšanas.
Tomēr viņai joprojām var būtelementārdaļiņas īpašības - piemēram, lādiņš un rotācija. Eksitonisko kvazidaļiņu var raksturot arī kā eksotisku atomu. Tas ir tāpēc, ka tas patiesībā ir ūdeņraža atoms, kura viens pozitīvais protons ir aizstāts ar vienu tukšumu ar pozitīvu lādiņu.
Pētnieki izmantoja nevienmērīgu spriegumu, izmantojot objektīvu, kas uzstādīts zem parauga (sarkans kubs).
Attēla kredīts un autortiesības: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka un Makoto Kuwata-Gonokami, Tokijas Universitāte
Ir divu veidu eksitoni:ortoeksitoni, kuros elektronu spins ir paralēls sava cauruma spinam, un paraeksitoni, kuros elektronu spins ir pretparalēli (paralēli, bet pretējā virzienā) tā tukšuma (cauruma) spinam.
Kā agrāk tika izmantotas elektronu tukšumu sistēmas?
Ir izmantotas elektronu caurumu sistēmasradot citas matērijas fāzes, piemēram, elektronu caurumu plazmu un pat eksitoniskus šķidruma pilienus. Tagad zinātnieki vēlējās noskaidrot, vai viņi var izveidot BEC no eksitoniem.
Lieta ir tiešā eksitona novērošanākondensāts trīsdimensiju pusvadītājā ir bijis ļoti pieprasīts, kopš teorētiķi to ierosināja 1962. gadā. Neviens nezināja, vai kvazidaļiņas var pakļaut Bozes-Einšteina kondensācijai tāpat kā īstas daļiņas. Kā skaidro jaunā pētījuma autori, "tas ir kaut kas līdzīgs zemas temperatūras fizikas Svētajam Grālam."
Mēģinājumi pagātnē
Zinātnieki uzskatīja, ka līdzīgs ūdeņradimParaeksitoni, kas izveidoti vara oksīdā (Cu₂O), vara un skābekļa savienojumā, ir vislabāk piemēroti eksitonu BEC ražošanai lielapjoma pusvadītājos. Viss to ilgā mūža dēļ. Mēģinājumi izveidot paraeksitonu BEC šķidrā hēlija temperatūrā aptuveni 2 Kelvini (-271,15 °C) tika veikti jau deviņdesmitajos gados, taču tie nebija veiksmīgi. Problēma ir tāda, ka, lai izveidotu BEC no eksitoniem, ir nepieciešama daudz zemāka temperatūra par šo.
Ortoeksitoni nevar sasniegt tik zemu līmenitemperatūras, jo tās ir pārāk īslaicīgas. Tomēr ir eksperimentāli labi zināms, ka paraeksitoniem ir ārkārtīgi ilgs kalpošanas laiks, kas pārsniedz vairākus simtus nanosekunžu, kas ir pietiekami ilgs laiks, lai tos atdzesētu līdz vēlamajai BEC temperatūrai.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Eksperimenta ietvaros fiziķi pieķēraparaeksitoni Cu₂O masā ar temperatūru zem 400 mK (milikelvins). Lai to izdarītu, viņi izmantoja šķīdināšanas ledusskapi, īpaši kriogēnu ierīci. Zinātnieki to izmanto, lai mēģinātu realizēt kvantu datorus.
Atšķaidīšanas ledusskapis ir kriogēna ierīce,pirmo reizi ierosināja Heincs Londons. Dzesēšanas procesā tiek izmantots divu hēlija izotopu maisījums: ³He un ⁴He. Atdzesējot zem 700 mK, maisījums piedzīvo spontānu fāzu atdalīšanu, veidojot fāzes, kas bagātas ar 3He un bagātas ar ⁴He.
Aparāta tuvplāns nekriogēnajā ledusskapīlai izšķīst. Tumši sarkanais kubiskais kristāls attēla centrā ir vara oksīds. Kredīti: Jusuke Morita, Kosuke Jošioka un Makoto Kuvata-Gonokami, Tokijas Universitāte
Pēc tam viņi tieši attēloja eksitonu BEC reālajā telpā. Viņiem palīdzēja attēlveidošana ar inducētu absorbciju vidējā infrasarkanā diapazonā. Šis ir mikroskopijas veids, kas izmanto gaismu vidējā infrasarkanā diapazonā. Tādā veidā zinātnieki varēja veikt precīzus mērījumus, tostarp eksitonu blīvumu un temperatūru. Savukārt tas ļāva viņiem atzīmēt atšķirības un līdzības starp eksitona BEC un parasto atomu BEC.
Kas tālāk?
Zinātnieki ar to neapstāsiessasniegts. Viņu nākamais solis ir izpētīt eksitoniskā BEC veidošanās dinamiku lielapjoma pusvadītājā un izpētīt eksitoniskā BEC kolektīvās ierosmes.
Rezultātā fiziķi cer izveidot platformupamatojoties uz eksitonisko BEC sistēmu. Tas palīdzēs noskaidrot tā kvantu īpašības un labāk izprast kubitu kvantu mehāniku, kas ir cieši saistīta ar to vidi.
Lasīt vairāk:
Starlink signāls ir uzlauzts, lai to izmantotu kā alternatīvu GPS
"Habls" ieskatījās Visuma "atslēgas caurumā".
NASA atklāja Haumea - Saules sistēmas noslēpumainākās planētas - izcelsmi
Uz vāka: press.princeton.edu