Forskere har beskrevet prosessen med å lage et stoff oppnådd ved en temperatur "en hårsbredd" fra absolutt null.
Hva er et Bose-Einstein-kondensat?
Bose-Einstein-kondensat - aggregeringstilstandet stoff basert på bosoner avkjølt til temperaturer nær absolutt null. Det kalles noen ganger materiens femte tilstand, sammen med faste stoffer, væsker, gasser og plasma. Teoretisk forutsagt på begynnelsen av det 20. århundre, ble Bose-Einstein-kondensatet, eller BEC, opprettet i laboratoriet først i 1995. Det er også kanskje den merkeligste tilstanden til materie, og mye om den er fortsatt ukjent for vitenskapen.
Absolutt null er temperaturen vedder molekyler stopper enhver bevegelse. Tilsvarer –273,15 °C, eller null på Kelvin-skalaen. Når temperaturen nærmer seg absolutt null, begynner noen ganske merkelige fenomener å oppstå.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC oppstår når en gruppe atomer avkjølesmed nøyaktighet til milliarddeler av en grad over absolutt null. Vanligvis bruker fysikere lasere og magnetiske feller for å kontinuerlig senke temperaturen på en gass som består av rubidiumatomer. Ved en så ultralav temperatur beveger atomene seg nesten ikke og begynner å oppføre seg veldig rart.
De er i det sammekvantetilstand - nesten som koherente fotoner i en laser - og begynner å holde seg sammen, og opptar samme volum som et utskillelig superatom. En samling atomer oppfører seg i hovedsak som én partikkel.
Bose-Einstein kondensat og kvanteberegning
For øyeblikket er BEC viktig for fundamentalforskning og modellering av kondensert materiesystemer. Imidlertid er det også nyttig i kvanteinformasjonsbehandling. Quantum computing, som fortsatt er i sine tidlige utviklingsstadier, bruker en rekke systemer. Men de er alle avhengige av at kvantebiter, eller kvantebiter, er i samme kvantetilstand.
De fleste BEC-er er laget av fortynnede gasser av vanlige atomer. Men til nå har det ikke vært mulig å lage et kondensat fra eksotiske atomer.
Hva er eksotiske atomer?
Eksotiske atomer er de deren subatomær partikkel, for eksempel et elektron eller proton, erstattes av en annen subatomær partikkel med samme ladning. Positronium, for eksempel, er et eksotisk atom som består av et elektron og dets positivt ladede antipartikkel, positronet.
Exciton er et annet eksempel på atomær "eksotisme".Når lys treffer en halvleder, har den nok energi til å eksitere elektroner og bevege seg fra atomets valensnivå til ledningsnivået. Disse eksiterte elektronene flyter deretter fritt i en elektrisk strøm, og konverterer i hovedsak lysenergi til elektrisk energi. Når et negativt ladet elektron gjør dette "hoppet", kan det gjenværende rommet betraktes som en positivt ladet partikkel. Det negative elektronet og det positive tomme rommet tiltrekkes og binder seg dermed.
Sammen dette elektron-romlige pareter en elektrisk nøytral kvasipartikkel kjent som en eksiton. En kvasipartikkel er en partikkellignende "enhet" som ikke regnes som en av de 17 elementærpartiklene i standardmodellen for partikkelfysikk.
Standardmodellen er en teoretisk konstruksjon ielementærpartikkelfysikk, som beskriver den elektromagnetiske, svake og sterke interaksjonen mellom alle elementærpartikler. Den moderne formuleringen ble fullført på 2000-tallet etter eksperimentell bekreftelse av eksistensen av kvarker.
Imidlertid kan hun fortsatt ha detegenskaper til en elementær partikkel - som ladning og rotasjon. En eksitonisk kvasipartikkel kan også beskrives som et eksotisk atom. Det er fordi det faktisk er et hydrogenatom, med dets eneste positive proton erstattet av et enkelt tomrom med positiv ladning.
Forskerne brukte en ujevn spenning ved å bruke en linse montert under prøven (rød kube).
Bildekreditt og opphavsrett: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka og Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Det finnes to typer eksitoner:ortoeksitoner, der elektronspinnet er parallelt med spinnet til hullet, og paraekscitoner, der elektronspinnet er antiparallelt (parallelt, men i motsatt retning) med spinnet til hulrommet (hullet).
Hvordan ble elektron-tomrom-systemer brukt tidligere?
Elektronhullsystemer har blitt brukt tilskape andre faser av materie, som elektron-hull plasma og til og med eksitoniske væskedråper. Nå ønsket forskerne å se om de kunne lage en BEC fra eksitoner.
Poenget er at direkte observasjon av excitonkondensat i en tredimensjonal halvleder har vært etterspurt siden teoretikere foreslo det i 1962. Ingen visste om kvasipartikler kunne gjennomgå Bose-Einstein-kondensering på samme måte som ekte partikler.» Som forfatterne av den nye studien forklarer, "dette er noe av en hellig gral av lavtemperaturfysikk."
Forsøk i fortiden
Forskere trodde at hydrogen-lignendeParaeksitoner laget i kobberoksid (Cu₂O), en forbindelse av kobber og oksygen, er best egnet for fremstilling av eksitoniske BEC-er i bulkhalvledere. Alt på grunn av deres lange levetid. Forsøk på å lage en paraexciton BEC ved flytende heliumtemperaturer på omtrent 2 Kelvin (-271,15 °C) ble gjort tilbake på 1990-tallet, men lyktes ikke. Problemet er at å lage en BEC fra eksitoner krever temperaturer som er mye lavere enn dette.
Ortoeksitoner kan ikke nå et så lavt nivåtemperaturer, da de er for kortvarige. Imidlertid er det eksperimentelt godt kjent at paraeksitoner har ekstremt lang levetid, som overstiger flere hundre nanosekunder, som er lang nok til å avkjøle dem til ønsket BEC-temperatur.
Hva har forskerne gjort?
Som en del av eksperimentet fanget fysikereparaeksitoner i en masse av Cu₂O med en temperatur under 400 mK (millikelvin). For å gjøre dette brukte de et oppløsningskjøleskap, en spesifikt kryogen enhet. Forskere bruker det i et forsøk på å realisere kvantedatamaskiner.
Fortynningskjøleskapet er en kryogen enhet,først foreslått av Heinz London. Avkjølingsprosessen bruker en blanding av to heliumisotoper: ³He og ⁴He. Når den avkjøles under 700 mK, opplever blandingen spontan faseseparasjon, og danner faser rike på ³He og rike på ⁴He.
Nærbilde av apparatet i et ikke-kryogent kjøleskapå løse opp. Den mørkerøde kubiske krystallen i midten av bildet er kobberoksid. Kreditt: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka og Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
De avbildet deretter exciton BEC direktei virkelig plass. De ble hjulpet av avbildning med indusert absorpsjon i det midt-infrarøde området. Dette er en type mikroskopi som bruker lys i det mellom-infrarøde området. På denne måten var forskere i stand til å gjøre nøyaktige målinger, inkludert tettheten og temperaturen til eksitoner. I sin tur tillot dette dem å merke seg forskjellene og likhetene mellom exciton BEC og konvensjonell atom BEC.
Hva er neste?
Ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Их следующий шаг — исследование динамики формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонного БЭК.
В итоге физики надеются построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК. Это поможет выяснить ее квантовые свойства и лучше понять квантовую механику кубитов, сильно связанных с окружающей средой.
Les mer:
Starlink-signal hacket for å brukes som et alternativ til GPS
"Hubble" så inn i "nøkkelhullet" i universet
NASA avslørte opprinnelsen til Haumea - den mest mystiske planeten i solsystemet
På omslaget: press.princeton.edu