Naukowcy opisali proces tworzenia substancji osiąganej w temperaturze „na włos” od zera absolutnego.
Co to jest kondensat Bosego-Einsteina?
Kondensat Bosego-Einsteina - stan skupieniasubstancja oparta na bozonach schłodzonych do temperatur bliskich zera absolutnego. Czasami nazywany jest piątym stanem materii, obok ciał stałych, cieczy, gazów i plazmy. Teoretycznie przewidywany na początku XX wieku kondensat Bosego-Einsteina, czyli BEC, powstał w laboratorium dopiero w 1995 roku. Jest to także być może najdziwniejszy stan materii i wiele na jego temat pozostaje nieznanych nauce.
Zero absolutne to temperatura ww którym cząsteczki zatrzymują jakikolwiek ruch. Równa się –273,15°C, czyli zero w skali Kelvina. Kiedy temperatura zbliża się do zera absolutnego, zaczynają zachodzić pewne dość dziwne zjawiska.
Zdjęcie: NIST/Wikimedia Commons
BEC występuje, gdy grupa atomów ochładza sięz dokładnością do miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Zazwyczaj fizycy używają laserów i pułapek magnetycznych, aby stale obniżać temperaturę gazu składającego się z atomów rubidu. W tak ultraniskiej temperaturze atomy prawie się nie poruszają i zaczynają zachowywać się bardzo dziwnie.
Są w tym samymstan kwantowy – prawie jak spójne fotony w laserze – i zaczynają się sklejać, zajmując tę samą objętość, co jeden nierozróżnialny superatom. Zbiór atomów zasadniczo zachowuje się jak jedna cząstka.
Kondensat Bosego-Einsteina i obliczenia kwantowe
W tej chwili BEC jest ważny dla fundamentalnychbadania i modelowanie układów materii skondensowanej. Jednak jest również przydatny w przetwarzaniu informacji kwantowej. Obliczenia kwantowe, które są wciąż na wczesnym etapie rozwoju, wykorzystują różnorodne systemy. Ale wszystkie zależą od bitów kwantowych, czyli kubitów, znajdujących się w tym samym stanie kwantowym.
Większość BEC składa się z rozcieńczonych gazów zwykłych atomów. Jednak do tej pory nie udało się wytworzyć kondensatu z egzotycznych atomów.
Czym są egzotyczne atomy?
Atomy egzotyczne to te, w którychjedna cząstka subatomowa, taka jak elektron lub proton, zostaje zastąpiona inną cząstką subatomową o tym samym ładunku. Na przykład pozyton jest egzotycznym atomem składającym się z elektronu i jego dodatnio naładowanej antycząstki, pozytonu.
Ekscyton to kolejny przykład atomowej „egzotyki”.Kiedy światło uderza w półprzewodnik, ma wystarczającą energię, aby wzbudzić elektrony i przejść z poziomu walencyjnego atomu na poziom przewodnictwa. Te wzbudzone elektrony przepływają następnie swobodnie w prądzie elektrycznym, zasadniczo przekształcając energię świetlną w energię elektryczną. Kiedy ujemnie naładowany elektron dokonuje tego „skoku”, pozostałą przestrzeń można traktować jako cząstkę naładowaną dodatnio. Elektron ujemny i dodatnia pusta przestrzeń są przyciągane, tworząc w ten sposób wiązanie.
Razem ta para elektron-przestrzeńjest elektrycznie obojętną kwazicząstką znaną jako ekscyton. Kwasicząstka to „byt” przypominający cząsteczkę, który nie jest uważany za jedną z 17 cząstek elementarnych w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych.
Model Standardowy jest konstrukcją teoretyczną wfizyka cząstek elementarnych, opisująca oddziaływanie elektromagnetyczne, słabe i silne wszystkich cząstek elementarnych. Nowoczesna formuła została ukończona w 2000 roku po eksperymentalnym potwierdzeniu istnienia kwarków.
Jednak nadal może to miećwłaściwości cząstki elementarnej - takie jak ładunek i rotacja. Kwazicząstkę ekscytonową można również opisać jako atom egzotyczny. Dzieje się tak, ponieważ w rzeczywistości jest to atom wodoru, którego pojedynczy dodatni proton został zastąpiony pojedynczą pustką o ładunku dodatnim.
Badacze przyłożyli nierównomierne napięcie za pomocą soczewki zamontowanej pod próbką (czerwona kostka).
Źródło zdjęcia i prawa autorskie: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka i Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Istnieją dwa rodzaje ekscytonów:ortoekscytony, w których spin elektronu jest równoległy do spinu jego dziury, oraz paraekscytony, w których spin elektronu jest antyrównoległy (równoległy, ale w przeciwnym kierunku) do spinu jego pustej przestrzeni (dziury).
Jak w przeszłości stosowano systemy elektronowo-puste?
Stosowane są układy elektron-dziuratworząc inne fazy materii, takie jak plazma z dziurami elektronowymi, a nawet ekscytonowe kropelki cieczy. Teraz naukowcy chcieli sprawdzić, czy uda im się stworzyć BEC z ekscytonów.
Chodzi o bezpośrednią obserwację ekscytonuKondensat w trójwymiarowym półprzewodniku cieszy się dużym zainteresowaniem od czasu zaproponowania go przez teoretyków w 1962 roku. Nikt nie wiedział, czy kwazicząstki mogą ulegać kondensacji Bosego-Einsteina w taki sam sposób, jak cząstki rzeczywiste. Jak wyjaśniają autorzy nowego badania, „jest to coś w rodzaju Świętego Graala fizyki niskich temperatur”.
Próby w przeszłości
Naukowcy wierzyli, że jest podobny do wodoruParaekscytony utworzone w tlenku miedziawym (Cu₂O), związku miedzi i tlenu, najlepiej nadają się do wytwarzania ekscytonowych BEC w półprzewodnikach masowych. Wszystko ze względu na ich długą żywotność. Próby wytworzenia paraekcytonu BEC w temperaturze ciekłego helu wynoszącej około 2 kelwinów (-271,15 °C) podejmowano już w latach 90. XX wieku, ale zakończyły się niepowodzeniem. Problem polega na tym, że utworzenie BEC z ekscytonów wymaga znacznie niższych temperatur.
Ortoekscytony nie mogą osiągnąć tak niskiego poziomutemperatur, ponieważ są one zbyt krótkotrwałe. Jednak eksperymentalnie dobrze wiadomo, że paraekscytony mają niezwykle długi czas życia, przekraczający kilkaset nanosekund, co jest wystarczająco długie, aby schłodzić je do pożądanej temperatury BEC.
Co zrobili naukowcy?
W ramach eksperymentu fizycy złapaliparaekscytonów w masie Cu₂O o temperaturze poniżej 400 mK (milikelwinów). Aby to zrobić, użyli lodówki rozpuszczającej, specjalnie kriogenicznego urządzenia. Naukowcy wykorzystują go, próbując zbudować komputery kwantowe.
Lodówka do rozcieńczania jest urządzeniem kriogenicznym,po raz pierwszy zaproponowany przez Heinza Londona. Proces chłodzenia wykorzystuje mieszaninę dwóch izotopów helu: ³He i ⁴He. Po schłodzeniu poniżej 700 mK mieszanina doświadcza spontanicznego rozdziału faz, tworząc fazy bogate w ³He i bogate w ⁴He.
Zbliżenie aparatu w lodówce niekriogenicznejrozpuścić. Ciemnoczerwony sześcienny kryształ pośrodku obrazu to tlenek miedziawy. Źródło: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka i Makoto Kuwata-Gonokami, Uniwersytet Tokijski
Następnie bezpośrednio zobrazowali ekscyton BECw prawdziwej przestrzeni. Pomogło im obrazowanie z indukowaną absorpcją w zakresie średniej podczerwieni. Jest to rodzaj mikroskopii wykorzystującej światło w zakresie średniej podczerwieni. W ten sposób naukowcom udało się dokonać precyzyjnych pomiarów, w tym gęstości i temperatury ekscytonów. To z kolei pozwoliło im zauważyć różnice i podobieństwa pomiędzy ekscytonem BEC a konwencjonalnym atomowym BEC.
Co dalej?
Naukowcy nie zamierzają na tym poprzestaćosiągnięty. Kolejnym krokiem będzie zbadanie dynamiki powstawania ekscytonowego BEC w półprzewodniku masowym oraz zbadanie zbiorczych wzbudzeń ekscytonowego BEC.
W rezultacie fizycy mają nadzieję zbudować platformęoparty na systemie ekscytonowych BEC. Pomoże to w wyjaśnieniu jego właściwości kwantowych i lepszym zrozumieniu mechaniki kwantowej kubitów, które są silnie powiązane z ich otoczeniem.
Czytaj więcej:
Zhakowany sygnał Starlink, który ma być używany jako alternatywa dla GPS
„Hubble” spojrzał w „dziurkę od klucza” wszechświata
NASA ujawniła pochodzenie Haumei - najbardziej tajemniczej planety w Układzie Słonecznym
Na okładce: press.princeton.edu