Vedci opísali proces vytvárania látky dosiahnutý pri teplote „na vlas“ od absolútnej nuly.
Čo je Bose-Einsteinov kondenzát?
Bose-Einsteinov kondenzát - stav agregácielátka na báze bozónov ochladená na teploty blízke absolútnej nule. Niekedy sa nazýva piate skupenstvo hmoty spolu s pevnými látkami, kvapalinami, plynmi a plazmou. Teoreticky predpovedaný na začiatku 20. storočia Bose-Einsteinov kondenzát, alebo BEC, vznikol v laboratóriu až v roku 1995. Je to tiež možno najpodivnejší stav hmoty a veľa o ňom zostáva pre vedu neznáme.
Absolútna nula je teplota priv ktorom molekuly zastavujú akýkoľvek pohyb. Rovná sa –273,15 °C alebo nule na Kelvinovej stupnici. Keď sa teplota priblíži k absolútnej nule, začnú sa diať dosť zvláštne javy.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
BEC nastáva, keď sa skupina atómov ochladís presnosťou na miliardtiny stupňa nad absolútnou nulou. Fyzici zvyčajne používajú lasery a magnetické pasce na neustále znižovanie teploty plynu zloženého z atómov rubídia. Pri takejto ultranízkej teplote sa atómy takmer nehýbu a začnú sa správať veľmi zvláštne.
Sú v tom istomkvantový stav – takmer ako koherentné fotóny v laseri – a začnú sa zlepovať, pričom zaberajú rovnaký objem ako jeden nerozoznateľný superatóm. Súbor atómov sa v podstate správa ako jedna častica.
Bose-Einsteinov kondenzát a kvantové výpočty
V súčasnosti je BEC dôležitý pre fundamentvýskum a modelovanie systémov kondenzovaných látok. Je však užitočný aj pri kvantovom spracovaní informácií. Kvantová výpočtová technika, ktorá je stále v ranom štádiu vývoja, využíva rôzne systémy. Ale všetky závisia od kvantových bitov alebo qubitov, ktoré sú v rovnakom kvantovom stave.
Väčšina BEC je vyrobená zo zriedených plynov obyčajných atómov. Doteraz však nebolo možné vytvoriť kondenzát z exotických atómov.
Čo sú exotické atómy?
Exotické atómy sú tie, v ktorýchjedna subatomárna častica, ako je elektrón alebo protón, je nahradená inou subatomárnou časticou s rovnakým nábojom. Pozitrónium je napríklad exotický atóm, ktorý pozostáva z elektrónu a jeho kladne nabitej antičastice, pozitrónu.
Exciton je ďalším príkladom atómového „exotizmu“.Keď svetlo zasiahne polovodič, má dostatok energie na vybudenie elektrónov a presun z valenčnej úrovne atómu na úroveň jeho vodivosti. Tieto excitované elektróny potom voľne prúdia v elektrickom prúde a v podstate premieňajú svetelnú energiu na elektrickú energiu. Keď záporne nabitý elektrón urobí tento „skok“, zostávajúci priestor možno považovať za kladne nabitú časticu. Záporný elektrón a kladný prázdny priestor sa priťahujú, a tak sa spájajú.
Spolu tento elektrón-priestorový párje elektricky neutrálna kvázičastica známa ako excitón. Kvázičastica je časticová „entita“, ktorá sa nepovažuje za jednu zo 17 elementárnych častíc v štandardnom modeli časticovej fyziky.
Стандартная модель — теоретическая конструкция в fyzika elementárnych častíc, ktorá popisuje elektromagnetickú, slabú a silnú interakciu všetkých elementárnych častíc. Moderná formulácia bola dokončená v roku 2000 po experimentálnom potvrdení existencie kvarkov.
Stále však môže maťvlastnosti elementárnej častice – ako je náboj a rotácia. Excitonickú kvázičasticu možno opísať aj ako exotický atóm. Je to preto, že je to v skutočnosti atóm vodíka, pričom jeho jediný kladný protón je nahradený jedinou prázdnotou s kladným nábojom.
Výskumníci aplikovali nerovnomerné napätie pomocou šošovky namontovanej pod vzorkou (červená kocka).
Obrazový kredit a autorské práva: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka a Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo
Existujú dva typy excitónov:ortoexcitóny, pri ktorých je spin elektrónu rovnobežný so spinom jeho diery, a paraexcitóny, pri ktorých je spin elektrónu antiparalelný (paralelný, ale v opačnom smere) k spinu jeho dutiny (diery).
Ako sa v minulosti používali elektrónovo-prázdne systémy?
Používali sa systémy s elektrónovými dieramivytváranie ďalších fáz hmoty, ako je plazma s elektrónovými dierami a dokonca aj kvapôčky excitonickej kvapaliny. Teraz vedci chceli zistiť, či dokážu vytvoriť BEC z excitónov.
Ide o to priame pozorovanie excitónukondenzát v trojrozmernom polovodiči je veľmi žiadaný, odkedy ho teoretici navrhli v roku 1962. Nikto nevedel, či by kvázičastice mohli podstúpiť Bose-Einsteinovu kondenzáciu rovnakým spôsobom ako skutočné častice. Ako vysvetľujú autori novej štúdie, „toto je niečo ako svätý grál fyziky nízkych teplôt“.
Pokusy v minulosti
Vedci sa domnievali, že podobný vodíkuParaexcitóny vytvorené v oxide meďnom (Cu₂O), zlúčenine medi a kyslíka, sú najvhodnejšie na výrobu excitonických BEC v objemových polovodičoch. To všetko kvôli ich dlhej životnosti. Pokusy o vytvorenie paraexcitónu BEC pri teplotách kvapalného hélia okolo 2 Kelvinov (-271,15 °C) sa uskutočnili už v deväťdesiatych rokoch minulého storočia, ale neboli úspešné. Problém je v tom, že vytvorenie BEC z excitónov vyžaduje teploty oveľa nižšie.
Ortoexcitóny nemôžu dosiahnuť takú nízku úroveňteploty, pretože sú príliš krátkodobé. Experimentálne je však dobre známe, že paraexcitóny majú extrémne dlhú životnosť, presahujúcu niekoľko stoviek nanosekúnd, čo je dostatočne dlhá doba na ich ochladenie na požadovanú teplotu BEC.
Čo urobili vedci?
V rámci experimentu sa fyzici chytiliparaexcitóny v množstve Cu₂O s teplotou nižšou ako 400 mK (milikelvin). Použili na to rozpúšťaciu chladničku, špecificky kryogénne zariadenie. Vedci ho používajú v snahe realizovať kvantové počítače.
Chladnička na riedenie je kryogénne zariadenie,ako prvý navrhol Heinz London. Chladiaci proces využíva zmes dvoch izotopov hélia: ³He a ⁴He. Keď sa zmes ochladí pod 700 mK, dôjde k spontánnej separácii fáz, pričom sa vytvoria fázy bohaté na ³He a bohaté na ⁴He.
Detailný záber na prístroj v nekryogénnej chladničkerozpustiť sa. Tmavočervený kubický kryštál v strede obrázka je oxid meďnatý. Poďakovanie: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka a Makoto Kuwata-Gonokami, Univerzita v Tokiu
Potom priamo zobrazili excitón BECv reálnom priestore. Pomohlo im zobrazenie s indukovanou absorpciou v strednom infračervenom rozsahu. Ide o typ mikroskopie, ktorý využíva svetlo v strednom infračervenom rozsahu. Týmto spôsobom boli vedci schopní vykonať presné merania vrátane hustoty a teploty excitónov. Na druhej strane im to umožnilo zaznamenať rozdiely a podobnosti medzi excitónovým BEC a konvenčným atómovým BEC.
Čo bude ďalej?
Vedci sa tam nezastaviadosiahnuté. Ich ďalším krokom je štúdium dynamiky tvorby excitonického BEC v objemovom polovodiči a štúdium kolektívnych excitácií excitonického BEC.
V dôsledku toho fyzici dúfajú, že vybudujú platformuzaložené na systéme excitonických BEC. Pomôže to objasniť jeho kvantové vlastnosti a lepšie pochopiť kvantovú mechaniku qubitov, ktoré sú silne spojené s ich prostredím.
Čítaj viac:
Signál Starlink bol hacknutý, aby sa dal použiť ako alternatíva k GPS
„Hubble“ sa pozrel do „kľúčovej dierky“ vesmíru
NASA odhalila pôvod Haumea – najzáhadnejšej planéty slnečnej sústavy
Na obálke: press.princeton.edu