Oamenii de știință au descris procesul de creare a unei substanțe obținute la o temperatură „la lățimea unui păr” de la zero absolut.
Ce este un condensat Bose-Einstein?
Condens Bose-Einstein - stare de agregareo substanta pe baza de bosoni raciti la temperaturi apropiate de zero absolut. Este uneori numită a cincea stare a materiei, alături de solide, lichide, gaze și plasmă. Prevăzut teoretic la începutul secolului al XX-lea, condensatul Bose-Einstein, sau BEC, a fost creat în laborator abia în 1995. Este, de asemenea, poate cea mai ciudată stare a materiei și multe despre ea rămân necunoscute științei.
Zero absolut este temperatura laîn care moleculele opresc orice mişcare. Este egal cu –273,15 °C sau zero pe scara Kelvin. Când temperatura se apropie de zero absolut, încep să se întâmple niște lucruri destul de ciudate.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC apare atunci când un grup de atomi se răceștecu acuratețe de bilioane de grad peste zero absolut. De obicei, fizicienii folosesc lasere și capcane magnetice pentru a scădea continuu temperatura unui gaz format din atomi de rubidiu. La o temperatură atât de scăzută, atomii cu greu se mișcă și încep să se comporte foarte ciudat.
Ei sunt în acelașistarea cuantică — aproape ca fotonii coerenți dintr-un laser — și încep să se lipească, ocupând același volum ca un superatom care nu poate fi distins. O colecție de atomi se comportă în esență ca o singură particulă.
Condens Bose-Einstein și calcul cuantic
În acest moment, BEC este important pentru fundamentalcercetarea si modelarea sistemelor de materie condensata. Cu toate acestea, este util și în procesarea informațiilor cuantice. Calculul cuantic, care este încă în fazele sale incipiente de dezvoltare, utilizează o varietate de sisteme. Dar toți depind de biții cuantici, sau qubiții, fiind în aceeași stare cuantică.
Majoritatea BEC-urilor sunt fabricate din gaze diluate ale atomilor obișnuiți. Dar până acum nu a fost posibil să se creeze un condensat din atomi exotici.
Ce sunt atomii exotici?
Atomii exotici sunt cei în careo particulă subatomică, cum ar fi un electron sau un proton, este înlocuită cu o altă particulă subatomică cu aceeași sarcină. Positroniul, de exemplu, este un atom exotic care constă dintr-un electron și antiparticula sa încărcată pozitiv, pozitronul.
Exciton este un alt exemplu de „exotism” atomic.Când lumina lovește un semiconductor, are suficientă energie pentru a excita electronii și pentru a trece de la nivelul de valență al atomului la nivelul său de conducere. Acești electroni excitați curg apoi liber într-un curent electric, transformând în esență energia luminii în energie electrică. Când un electron încărcat negativ face acest „salt”, spațiul rămas poate fi considerat ca o particulă încărcată pozitiv. Electronul negativ și spațiul gol pozitiv sunt atrași și astfel se leagă.
Împreună această pereche electron-spațialăeste o cvasiparticulă neutră electric cunoscută sub numele de exciton. O cvasiparticulă este o „entitate” asemănătoare unei particule care nu este considerată una dintre cele 17 particule elementare din Modelul standard al fizicii particulelor.
Modelul standard este un construct teoretic înfizica particulelor elementare, care descrie interacțiunea electromagnetică, slabă și puternică a tuturor particulelor elementare. Formularea modernă a fost finalizată în anii 2000 după confirmarea experimentală a existenței quarcilor.
Cu toate acestea, ea poate avea încăproprietățile unei particule elementare - cum ar fi sarcina și rotația. O cvasiparticulă excitonică poate fi, de asemenea, descrisă ca un atom exotic. Asta pentru că este de fapt un atom de hidrogen, cu unicul său proton pozitiv înlocuit cu un singur gol cu o sarcină pozitivă.
Cercetătorii au aplicat o tensiune neuniformă folosind o lentilă montată sub probă (cubul roșu).
Credit imagine și drepturi de autor: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka și Makoto Kuwata-Gonokami, Universitatea din Tokyo
Există două tipuri de excitoni:ortoexcitonii, în care spinul electronului este paralel cu spinul găurii sale, și paraexcitonii, în care spinul electronului este antiparalel (paralel, dar în direcția opusă) cu spinul golului său (gaura).
Cum erau folosite sistemele electron-gol în trecut?
S-au folosit sisteme cu gauri de electroni pentrucreând alte faze ale materiei, cum ar fi plasma cu gaură de electroni și chiar picături de lichid excitonic. Acum, oamenii de știință au vrut să vadă dacă ar putea crea un BEC din excitoni.
Ideea este că observarea directă a excitonuluiCondensul într-un semiconductor tridimensional a fost la mare căutare de când teoreticienii l-au propus în 1962. Nimeni nu știa dacă cvasiparticulele ar putea suferi condensarea Bose-Einstein în același mod ca particulele reale.” După cum explică autorii noului studiu, „acesta este ceva ca Sfântul Graal al fizicii la temperaturi joase”.
Încercări în trecut
Oamenii de știință credeau că este asemănător cu hidrogenulParaexcitonii creați în oxid cupros (Cu₂O), un compus de cupru și oxigen, sunt cei mai potriviti pentru fabricarea BEC excitonice în semiconductori în vrac. Toate din cauza duratei lor lungi de viață. Încercările de a crea un paraexciton BEC la temperaturi de heliu lichid de aproximativ 2 Kelvin (-271,15 °C) au fost făcute în anii 1990, dar nu au avut succes. Problema este că crearea unui BEC din excitoni necesită temperaturi mult mai mici decât aceasta.
Ortoexcitonele nu pot ajunge la un nivel atât de scăzuttemperaturile, deoarece sunt prea scurte. Cu toate acestea, este bine cunoscut experimental că paraexcitonii au durate de viață extrem de lungi, depășind câteva sute de nanosecunde, ceea ce este suficient de lung pentru a le răci la temperatura BEC dorită.
Ce au făcut oamenii de știință?
Ca parte a experimentului, fizicienii au prinsparaexcitoni într-o masă de Cu₂O cu o temperatură sub 400 mK (millikelvin). Pentru a face acest lucru, au folosit un frigider de dizolvare, un dispozitiv specific criogenic. Oamenii de știință îl folosesc în încercarea de a realiza calculatoare cuantice.
Frigiderul cu diluție este un dispozitiv criogenic,propus pentru prima dată de Heinz London. Procesul de răcire folosește un amestec de doi izotopi de heliu: ³He și ⁴He. Când este răcit sub 700 mK, amestecul experimentează separarea spontană a fazelor, formând faze bogate în ³He și bogate în ⁴He.
Prim-plan al aparatului într-un frigider necriogenicsă se dizolve. Cristalul cubic roșu închis din centrul imaginii este oxid cupros. Credit: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka și Makoto Kuwata-Gonokami, Universitatea din Tokyo
Apoi au făcut imagini direct la excitonul BECîn spațiul real. Ei au fost ajutați de imagistica cu absorbție indusă în intervalul infraroșu mediu. Acesta este un tip de microscopie care folosește lumina în intervalul infraroșu mediu. În acest fel, oamenii de știință au reușit să facă măsurători precise, inclusiv densitatea și temperatura excitonilor. La rândul său, acest lucru le-a permis să noteze diferențele și asemănările dintre exciton BEC și BEC atomic convențional.
Ce urmează?
Oamenii de știință nu se vor opri aicirealizat. Următorul lor pas este să studieze dinamica formării unui BEC excitonic într-un semiconductor în vrac și să studieze excitațiile colective ale unui BEC excitonic.
Drept urmare, fizicienii speră să construiască o platformăbazat pe un sistem de BEC excitonice. Acest lucru va ajuta la elucidarea proprietăților sale cuantice și la înțelegerea mai bună a mecanicii cuantice a qubiților, care sunt puternic cuplate cu mediul lor.
Citeste mai mult:
Semnalul Starlink piratat pentru a fi folosit ca alternativă la GPS
„Hubble” s-a uitat în „gaura cheii” a universului
NASA a dezvăluit originea Haumea - cea mai misterioasă planetă din sistemul solar
Pe copertă: press.princeton.edu