Научници су описали процес стварања супстанце која се постиже на температури „за длаку“ од апсолутне нуле.
Шта је Босе-Ајнштајн кондензат?
Босе-Ајнштајн кондензат - агрегатно стањесупстанца заснована на бозонима охлађена на температуре близу апсолутне нуле. Понекад се назива и пето стање материје, заједно са чврстим материјама, течностима, гасовима и плазмом. Теоријски предвиђен почетком 20. века, Босе-Ајнштајнов кондензат, или БЕЦ, створен је у лабораторији тек 1995. године. То је такође можда и најчудније стање материје, и много тога о томе остаје непознато науци.
Апсолутна нула је температура нау којој молекули заустављају свако кретање. Једнако –273,15 °Ц, или нула на Келвиновој скали. Када се температура приближи апсолутној нули, почињу да се дешавају неке прилично чудне појаве.
Фото: НИСТ/Викимедијина комуна
БЕЦ се јавља када се група атома охладиса&нбсп;прецизношћу до&нбсп;милијардиних делова степена изнад апсолутне нуле. Типично, физичари користе ласере и магнетне замке да стално снижавају температуру гаса састављеног од атома рубидијума. На тако ултра-ниској температури, атоми се једва померају и почињу да се понашају веома чудно.
Они су у истомквантно стање — скоро као кохерентни фотони у ласеру — и почињу да се држе заједно, заузимајући исту запремину као један неразлучиви суператом. Скуп атома се у суштини понаша као једна честица.
Босе-Ајнштајн кондензат и квантно рачунарство
У овом тренутку, БЕЦ је важан за фундаменталнеистраживање и моделовање система кондензоване материје. Међутим, такође је користан у квантној обради информација. Квантно рачунарство, које је још увек у раној фази развоја, користи различите системе. Али сви они зависе од квантних битова, или кубита, који су у истом квантном стању.
Већина БЕЦ је направљена од разблажених гасова обичних атома. Али до сада није било могуће створити кондензат од егзотичних атома.
Шта су егзотични атоми?
Егзотични атоми су они у којимаједна субатомска честица, као што је електрон или протон, је замењена другом субатомском честицом са истим наелектрисањем. Позитронијум је, на пример, егзотични атом који се састоји од електрона и његове позитивно наелектрисане античестице, позитрона.
Екситон је још један пример атомске „егзотичности“.Када светлост удари у полупроводник, она има довољно енергије да побуди електроне и пређе са валентног нивоа атома на ниво његове проводљивости. Ови побуђени електрони затим слободно теку у електричној струји, у суштини претварајући светлосну енергију у електричну енергију. Када негативно наелектрисани електрон направи овај "скок", преостали простор се може сматрати позитивно наелектрисаном честицом. Негативни електрон и позитивни празан простор се привлаче и тако везују.
Заједно овај електрон-просторни парје електрично неутрална квазичестица позната као екситон. Квазичестица је „ентитет“ сличан честици који се не сматра једном од 17 елементарних честица у Стандардном моделу физике честица.
Стандардни модел је теоријска конструкција уфизика елементарних честица, која описује електромагнетну, слабу и јаку интеракцију свих елементарних честица. Модерна формулација је завршена 2000-их након експерименталне потврде постојања кваркова.
Међутим, можда и даље имасвојства елементарне честице – као што су наелектрисање и ротација. Ексцитонска квазичестица се такође може описати као егзотични атом. То је зато што је то заправо атом водоника, са једним позитивним протоном који је замењен једном празнином са позитивним наелектрисањем.
Истраживачи су применили неуједначен напон користећи сочиво постављено испод узорка (црвена коцка).
Заслуге за слике и ауторска права: Јусуке Морита, Косуке Јошиока и Макото Кувата-Гоноками, Универзитет у Токију
Постоје две врсте екситона:ортоекситони, код којих је спин електрона паралелан са спином његове рупе, и параекцитони, код којих је спин електрона антипаралелан (паралелан, али у супротном смеру) са спином његове празнине (рупе).
Како су се системи електронских празнина користили у прошлости?
Системи електронских рупа су коришћени застварајући друге фазе материје, као што је плазма електронских рупа, па чак и капљице ексцитонске течности.&нбсп;Научници су сада желели да виде да ли могу да створе БЕЦ од екситона.
Поента је у том директном посматрању екситонакондензат у тродимензионалном полупроводнику је био веома тражен од када су га теоретичари предложили 1962. године. Нико није знао да ли квазичестице могу да прођу Босе-Ајнштајнову кондензацију на исти начин као праве честице. Како објашњавају аутори нове студије, „ово је нешто као Свети грал физике ниских температура“.
Покушаји у прошлости
Научници су веровали да је налик водоникуПараекцитони створени у бакровом оксиду (Цу₂О), једињењу бакра и кисеоника, најпогоднији су за производњу ексцитонских БЕЦ-а у расутим полупроводницима. Све због њиховог дугог века трајања. Покушаји да се створи параекцитон БЕЦ на температурама течног хелијума од око 2 Келвина (-271,15 °Ц) направљени су још 1990-их, али нису били успешни. Проблем је у томе што су за стварање БЕЦ-а од екситона потребне температуре много ниже од ове.
Ортоекситони не могу достићи тако низак нивотемпературе, пошто су сувише краткотрајне. Међутим, експериментално је добро познато да параексцитони имају изузетно дуг животни век, који прелази неколико стотина наносекунди, што је довољно дуго да их охлади до жељене БЕЦ температуре.
Шта су научници урадили?
У оквиру експеримента, физичари су ухватилипараекситони у маси Цу₂О са температуром испод 400 мК (миликелвин). Да би то урадили, користили су фрижидер за растварање, посебно криогени уређај. Научници га користе у покушају да реализују квантне рачунаре.
Фрижидер за разблаживање је криогени уређај,први је предложио Хајнц Лондон. Процес хлађења користи мешавину два изотопа хелијума: ³Хе и ⁴Хе. Када се охлади испод 700 мК, смеша доживљава спонтано раздвајање фаза, формирајући фазе богате ³Хе и богате ⁴Хе.
Крупни план апарата у некриогеном фрижидеруда се раствори.&нбсп;Тамноцрвени кубни кристал у центру слике је бакров оксид.&нбсп;Заслуге: Јусуке Морита, Косуке Јошиока и Макото Кувата-Гоноками, Универзитет у Токију
Затим су директно снимили ексцитон БЕЦу&нбсп;стварном простору. Помогло им је снимање са индукованом апсорпцијом у средњем инфрацрвеном опсегу. Ово је врста микроскопије која користи светлост у средњем инфрацрвеном опсегу. На овај начин, научници су могли да изврше прецизна мерења, укључујући густину и температуру екситона. Заузврат, ово им је омогућило да примете разлике и сличности између ексцитонског БЕЦ и конвенционалног атомског БЕЦ.
Шта је следеће?
Научници се ту неће зауставитипостигнуто. Њихов следећи корак је проучавање динамике формирања ексцитонског БЕЦ-а у масовном полупроводнику и проучавање колективних побуда ексцитонског БЕЦ-а.
Као резултат тога, физичари се надају да ће изградити платформузаснован на систему ексцитонских БЕЦ. Ово ће помоћи да се разјасни његова квантна својства и боље разуме квантна механика кубита, који су снажно повезани са њиховим окружењем.
Опширније:
Старлинк сигнал је хакован да се користи као алтернатива ГПС-у
„Хабл” је погледао у „кључаоницу” универзума
НАСА је открила порекло Хаумее - најмистериозније планете у Сунчевом систему
На насловној страни: пресс.принцетон.еду