สถานะของสสารที่ห้าที่สร้างขึ้น: นักฟิสิกส์ทำอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์ได้บรรยายถึงกระบวนการสร้างสารที่อุณหภูมิ "ความกว้างของเส้นผม" จากศูนย์สัมบูรณ์

คอนเดนเสทของ Bose-Einstein คืออะไร?

คอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์ - สถานะของการรวมตัวสารที่อยู่บนพื้นฐานของโบซอนทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ บางครั้งเรียกว่าสถานะที่ห้าของสสาร พร้อมด้วยของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา ตามทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 คอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์หรือบีอีซีถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการในปี 1995 เท่านั้น มันอาจเป็นสถานะของสสารที่แปลกประหลาดที่สุด และวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบอีกมากเกี่ยวกับเรื่องนี้

ศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิที่ซึ่งโมเลกุลจะหยุดการเคลื่อนไหวใดๆ เท่ากับ –273.15 °C หรือศูนย์ในระดับเคลวิน เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างแปลกประหลาดบางอย่างก็เริ่มเกิดขึ้น

ภาพ: NIST/วิกิมีเดียคอมมอนส์

BEC เกิดขึ้นเมื่อกลุ่มอะตอมเย็นตัวลงด้วยความแม่นยำถึงหนึ่งในพันล้านของระดับเหนือศูนย์สัมบูรณ์ โดยทั่วไปแล้ว นักฟิสิกส์ใช้เลเซอร์และกับดักแม่เหล็กเพื่อลดอุณหภูมิของก๊าซที่ประกอบด้วยอะตอมรูบิเดียมอย่างต่อเนื่อง ที่อุณหภูมิต่ำมาก อะตอมแทบจะไม่เคลื่อนที่และเริ่มมีพฤติกรรมแปลกๆ

พวกเขาอยู่ในที่เดียวกันสถานะควอนตัม - เกือบจะเหมือนกับโฟตอนที่สอดคล้องกันในเลเซอร์ - และเริ่มเกาะติดกันโดยมีปริมาตรเท่ากันกับซุปเปอร์อะตอมที่แยกไม่ออก การรวมตัวกันของอะตอมโดยพื้นฐานแล้วจะมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคเดียว

Bose-Einstein คอนเดนเสทและการคำนวณควอนตัม

ขณะนี้ BEC มีความสำคัญต่อปัจจัยพื้นฐานการวิจัยและการสร้างแบบจำลองระบบสสารควบแน่น อย่างไรก็ตาม ยังมีประโยชน์ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัมอีกด้วย คอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา ใช้ระบบที่หลากหลาย แต่ทั้งหมดนั้นขึ้นอยู่กับควอนตัมบิตหรือคิวบิต ซึ่งอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน

BEC ส่วนใหญ่ทำจากก๊าซเจือจางของอะตอมธรรมดา แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่สามารถสร้างคอนเดนเสทจากอะตอมที่แปลกใหม่ได้

อะตอมที่แปลกใหม่คืออะไร?

อะตอมที่แปลกใหม่คืออะตอมที่อยู่ในนั้นอนุภาคย่อยของอะตอมหนึ่ง เช่น อิเล็กตรอนหรือโปรตอน จะถูกแทนที่ด้วยอนุภาคย่อยของอะตอมอีกอันที่มีประจุเท่ากัน ตัวอย่างเช่น โพซิตรอนเนียมเป็นอะตอมแปลกใหม่ที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและโพซิตรอนซึ่งเป็นปฏิปักษ์ที่มีประจุบวกซึ่งมีประจุบวก

Exciton เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของ "ความแปลกใหม่" ของอะตอมเมื่อแสงตกกระทบเซมิคอนดักเตอร์ จะมีพลังงานเพียงพอที่จะกระตุ้นอิเล็กตรอนและเคลื่อนจากระดับเวเลนซ์ของอะตอมไปสู่ระดับการนำไฟฟ้า จากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้จะไหลอย่างอิสระในกระแสไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วจะเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุลบทำการ "กระโดด" พื้นที่ที่เหลือสามารถถือเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกได้ อิเล็กตรอนที่เป็นลบและพื้นที่ว่างที่เป็นบวกจะถูกดึงดูดและทำให้เกิดพันธะกัน

รวมกันเป็นคู่อิเล็กตรอนและอวกาศนี้เป็นควอซิพาร์ติคัลที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เรียกว่า exciton Quasiparticle เป็น "เอนทิตี" ที่มีลักษณะคล้ายอนุภาคซึ่งไม่ถือว่าเป็นหนึ่งในอนุภาคมูลฐาน 17 ชนิดในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค

แบบจำลองมาตรฐานเป็นโครงสร้างทางทฤษฎีในฟิสิกส์อนุภาคมูลฐาน อธิบายแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและรุนแรงของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด สูตรสมัยใหม่เสร็จสมบูรณ์ในปี 2000 หลังจากการทดลองยืนยันการมีอยู่ของควาร์ก

อย่างไรก็ตามเธออาจจะยังมีอยู่คุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน เช่น ประจุและการหมุน Quasiparticle แบบ excitonic สามารถอธิบายได้ว่าเป็นอะตอมที่แปลกใหม่ นั่นเป็นเพราะจริงๆ แล้วมันคืออะตอมไฮโดรเจน โดยมีโปรตอนบวกเพียงตัวเดียวถูกแทนที่ด้วยโมฆะเดี่ยวที่มีประจุบวก

นักวิจัยใช้แรงดันไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอโดยใช้เลนส์ที่ติดตั้งอยู่ใต้ตัวอย่าง (ลูกบาศก์สีแดง)
เครดิตภาพและลิขสิทธิ์: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka และ Makoto Kuwata-Gonokami, University of Tokyo

สิ่งกระตุ้นมีสองประเภท:orthoexcitons ซึ่งการหมุนของอิเล็กตรอนขนานกับการหมุนของรูของมัน และ paraexcitons ซึ่งการหมุนของอิเล็กตรอนนั้นตรงกันข้าม (ขนานกัน แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม) กับการหมุนของโมฆะ (รู)

ในอดีตระบบอิเลคตรอน-โมฆะใช้อย่างไร?

ระบบรูอิเล็กตรอนถูกนำมาใช้เพื่อทำให้เกิดเฟสอื่นๆ ของสสาร เช่น พลาสมาที่มีรูอิเล็กตรอน และแม้แต่หยดของเหลวที่เกิดจากสารกระตุ้น ในตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องการดูว่าพวกเขาจะสามารถสร้าง BEC จากสารกระตุ้นได้หรือไม่

ประเด็นก็คือการสังเกตโดยตรงของ excitonคอนเดนเสทในเซมิคอนดักเตอร์สามมิติเป็นที่ต้องการสูงนับตั้งแต่นักทฤษฎีเสนอมันในปี 1962 ไม่มีใครรู้ว่าอนุภาคกึ่งอนุภาคสามารถผ่านการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ในลักษณะเดียวกับอนุภาคจริงได้หรือไม่” ตามที่ผู้เขียนการศึกษาใหม่อธิบายว่า "นี่คือจอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำ"

ความพยายามในอดีต

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีลักษณะคล้ายไฮโดรเจนParaexcitons ที่สร้างขึ้นในคิวรัสออกไซด์ (Cu₂O) ซึ่งเป็นสารประกอบของทองแดงและออกซิเจน เหมาะที่สุดสำหรับการผลิต BEC แบบ excitonic ในเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก ทั้งหมดเป็นเพราะอายุขัยที่ยาวนาน ความพยายามสร้างพาราเอ็กซิตอน BEC ที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลวประมาณ 2 เคลวิน (-271.15 °C) เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1990 แต่ไม่ประสบผลสำเร็จ ปัญหาคือการสร้าง BEC จาก excitons ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้มาก

Orthoexcitons ไม่สามารถไปถึงระดับต่ำเช่นนี้ได้อุณหภูมิเนื่องจากมีอายุสั้นเกินไป อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีจากการทดลองว่าพาราเอ็กซิตอนมีอายุการใช้งานที่ยาวนานมาก โดยเกินกว่าหลายร้อยนาโนวินาที ซึ่งนานพอที่จะทำให้พาราเอ็กซิตอนเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ BEC ที่ต้องการ

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

ในส่วนหนึ่งของการทดลองนี้ นักฟิสิกส์จับได้paraexcitons ในมวล Cu₂O ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 400 mK (มิลลิเคลวิน) ในการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้ตู้เย็นสำหรับละลายน้ำ ซึ่งเป็นอุปกรณ์แช่แข็งโดยเฉพาะ นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้มันเพื่อพยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ตู้เย็นเจือจางเป็นอุปกรณ์แช่แข็งเสนอครั้งแรกโดยไฮนซ์ลอนดอน กระบวนการทำความเย็นใช้ส่วนผสมของไอโซโทปฮีเลียมสองชนิด: ³He และ ⁴He เมื่อทำให้เย็นลงที่ต่ำกว่า 700 mK ส่วนผสมจะเกิดการแยกเฟสที่เกิดขึ้นเอง ทำให้เกิดเฟสที่อุดมไปด้วย ³He และอุดมไปด้วย ⁴He

ภาพระยะใกล้ของอุปกรณ์ในตู้เย็นที่ไม่แช่แข็งเพื่อละลาย ผลึกลูกบาศก์สีแดงเข้มที่อยู่ตรงกลางภาพคือคิวรัสออกไซด์ เครดิต: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka และ Makoto Kuwata-Gonokami มหาวิทยาลัยโตเกียว

จากนั้นพวกเขาก็ถ่ายภาพ exciton BEC โดยตรงในพื้นที่จริง โดยได้รับความช่วยเหลือจากการถ่ายภาพที่มีการดูดกลืนแสงเหนี่ยวนำในช่วงอินฟราเรดตอนกลาง เป็นกล้องจุลทรรศน์ประเภทหนึ่งที่ใช้แสงในช่วงอินฟราเรดช่วงกลาง ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถตรวจวัดได้อย่างแม่นยำ รวมถึงความหนาแน่นและอุณหภูมิของสิ่งกระตุ้น ในทางกลับกัน สิ่งนี้ทำให้พวกเขาทราบถึงความแตกต่างและความคล้ายคลึงระหว่าง exciton BEC และ BEC อะตอมแบบธรรมดา

ถัดไปคืออะไร

นักวิทยาศาสตร์จะไม่หยุดอยู่แค่นั้นประสบความสำเร็จ ขั้นตอนต่อไปคือการศึกษาพลวัตของการก่อตัวของ excitonic BEC ในเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก และเพื่อศึกษาการกระตุ้นโดยรวมของ BEC แบบ excitonic

เป็นผลให้นักฟิสิกส์หวังที่จะสร้างแพลตฟอร์มขึ้นอยู่กับระบบของ BEC แบบ excitonic สิ่งนี้จะช่วยอธิบายคุณสมบัติควอนตัมของมันและเข้าใจกลไกควอนตัมของคิวบิตได้ดีขึ้น ซึ่งสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมของมันอย่างมาก

อ่านเพิ่มเติม:

สัญญาณ Starlink ถูกแฮ็กเพื่อใช้เป็นทางเลือกแทน GPS

"ฮับเบิล" มองเข้าไปใน "รูกุญแจ" ของจักรวาล

NASA เปิดเผยที่มาของ Haumea - ดาวเคราะห์ลึกลับที่สุดในระบบสุริยะ

บนปก: press.princeton.edu