Bilim adamları, mutlak sıfırdan "saç teli genişliğinde" bir sıcaklıkta elde edilen bir madde yaratma sürecini tanımladılar.
Bose-Einstein Yoğuşması nedir?
Bir Bose-Einstein yoğunlaşması, aşağıdakilere dayalı bir maddenin toplu halidir:bozonlar mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutuldu.Teorik olarak 20. yüzyılın başlarında tahmin edilen kondensatBose-Einstein serisi veya BEC, sadece 1995 yılında laboratuvarda yaratıldı.
Mutlak sıfır sıcaklıktırmoleküllerin herhangi bir hareketi durdurduğu yer. –273,15 °C'ye veya Kelvin ölçeğinde sıfıra eşittir. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştığında oldukça tuhaf olaylar meydana gelmeye başlar.
Fotoğraf: NIST/Wikimedia Commons
BEC, bir grup atom soğuduğunda ortaya çıkarmutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyarda biri kadar doğrulukla. Tipik olarak fizikçiler, rubidyum atomlarından oluşan bir gazın sıcaklığını sürekli olarak düşürmek için lazerler ve manyetik tuzaklar kullanırlar. Bu kadar düşük bir sıcaklıkta atomlar neredeyse hiç hareket etmez ve çok tuhaf davranmaya başlar.
Onlar aynı durumdalarkuantum durumu (neredeyse bir lazerdeki tutarlı fotonlar gibi) ve birbirine yapışmaya başlayarak, ayırt edilemez bir süper atomla aynı hacmi kaplar. Bir atom topluluğu esasen tek bir parçacık gibi davranır.
Bose-Einstein yoğunlaşması ve kuantum hesaplama
Şu anda BEC temel için önemliYoğun madde sistemlerinin araştırılması ve modellenmesi. Ancak kuantum bilgi işlemede de faydalıdır. Henüz gelişiminin erken aşamalarında olan kuantum hesaplama, çeşitli sistemler kullanıyor. Ancak bunların hepsi aynı kuantum durumunda olan kuantum bitlerine veya kübitlere bağlıdır.
Çoğu BEC, sıradan atomların seyreltik gazlarından yapılır. Ancak şimdiye kadar egzotik atomlardan bir yoğunlaşma yaratmak mümkün olmamıştı.
Egzotik atomlar nelerdir?
Egzotik atomlar hangileridir?Elektron veya proton gibi bir atom altı parçacığın yerini aynı yüke sahip başka bir atom altı parçacık alır. Örneğin pozitronyum, bir elektron ve onun pozitif yüklü antiparçacığı olan pozitrondan oluşan egzotik bir atomdur.
Exciton atomik “egzotikliğin” bir başka örneğidir.Işık bir yarı iletkene çarptığında, elektronları uyarmaya ve atomun değerlik seviyesinden iletkenlik seviyesine geçmeye yetecek enerjiye sahiptir. Bu uyarılmış elektronlar daha sonra bir elektrik akımında serbestçe akar ve esasen ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Negatif yüklü bir elektron bu "sıçrayışı" yaptığında, kalan alan pozitif yüklü bir parçacık olarak düşünülebilir. Negatif elektron ve pozitif boş alan çekilir ve böylece bağlanır.
Bu elektron-uzaysal çift birlikteeksiton olarak bilinen elektriksel olarak nötr bir yarı parçacıktır. Yarı parçacık, parçacık fiziğinin Standart Modelindeki 17 temel parçacıktan biri olarak kabul edilmeyen, parçacık benzeri bir "varlıktır".
Standart Model teorik bir yapıdır.tüm temel parçacıkların elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimini tanımlayan temel parçacık fiziği. Modern formülasyon, kuarkların varlığının deneysel olarak doğrulanmasından sonra 2000'lerde tamamlandı.
Ancak yine de sahip olabilirtemel bir parçacığın yük ve dönme gibi özellikleri. Eksitonik bir yarı parçacık aynı zamanda egzotik bir atom olarak da tanımlanabilir. Bunun nedeni aslında onun tek pozitif protonunun yerini pozitif yüklü tek bir boşluk alan bir hidrojen atomu olmasıdır.
Araştırmacılar, numunenin (kırmızı küp) altına monte edilmiş bir mercek kullanarak düzgün olmayan bir voltaj uyguladılar.
Görüntü Katkısı ve Telif Hakkı : Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ve Makoto Kuwata-Gonokami, Tokyo Üniversitesi
İki tür eksiton vardır:Elektron dönüşünün deliğin dönüşüne paralel olduğu ortoeksitonlar ve elektron dönüşünün boşluğunun (delik) dönüşüne antiparalel (paralel, ancak ters yönde) olduğu paraeksitonlar.
Geçmişte elektron-boşluk sistemleri nasıl kullanılıyordu?
Elektron deliği sistemleri kullanılmaktadır.elektron-delik plazması ve hatta eksitonik sıvı damlacıkları gibi maddenin diğer fazlarını yaratıyor. Şimdi bilim insanları eksitonlardan bir BEC oluşturup oluşturamayacaklarını görmek istiyorlardı.
Mesele şu ki, eksitonun doğrudan gözlemlenmesiÜç boyutlu bir yarı iletkendeki yoğunlaşma, teorisyenlerin 1962'de önerdiğinden beri yüksek talep görüyor. Hiç kimse, yarı parçacıkların, gerçek parçacıklarla aynı şekilde Bose-Einstein yoğunlaşmasına maruz kalıp kalamayacağını bilmiyordu. Yeni çalışmanın yazarlarının açıkladığı gibi, "Bu, düşük sıcaklık fiziğinin Kutsal Kâsesi."
Geçmişteki denemeler
Bilim adamları hidrojen benzeri olduğuna inanıyorduBir bakır ve oksijen bileşiği olan bakır oksitte (Cu₂O) oluşturulan paraeksitonlar, toplu yarı iletkenlerde eksitonik BEC'lerin üretilmesi için en uygun olanlardır. Hepsi uzun ömürleri nedeniyle. Yaklaşık 2 Kelvin (-271,15 °C) sıvı helyum sıcaklıklarında bir paraeksiton BEC yaratma girişimleri 1990'larda yapıldı, ancak başarılı olmadı. Sorun, eksitonlardan bir BEC yaratmanın bundan çok daha düşük sıcaklıklar gerektirmesidir.
Ortoeksitonlar bu kadar düşük bir seviyeye ulaşamazSıcaklıklar çok kısa ömürlü olduğundan. Bununla birlikte, paraeksitonların, birkaç yüz nanosaniyeyi aşan son derece uzun ömürlere sahip olduğu deneysel olarak iyi bilinmektedir; bu, onları istenen BEC sıcaklığına soğutmaya yetecek kadar uzundur.
Bilim adamları ne yaptı?
Deneyin bir parçası olarak fizikçiler yakalandısıcaklığı 400 mK'nin (millikelvin) altında olan bir Cu₂O kütlesindeki paraeksitonlar. Bunu yapmak için, özel olarak kriyojenik bir cihaz olan çözünme buzdolabını kullandılar. Bilim insanları bunu kuantum bilgisayarları gerçekleştirmek amacıyla kullanıyor.
Seyreltme buzdolabı kriyojenik bir cihazdır,ilk olarak Heinz London tarafından önerilmiştir. Soğutma işlemi iki helyum izotopunun bir karışımını kullanır: ³He ve ⁴He. 700 mK'nin altına soğutulduğunda, karışım kendiliğinden faz ayrımı yaşar ve ³He açısından zengin ve ⁴He açısından zengin fazlar oluşturur.
Kriyojenik olmayan bir buzdolabındaki aparatın yakından görünümüçözünecek. Görüntünün ortasındaki koyu kırmızı kübik kristal bakır oksittir. Kaynak: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka ve Makoto Kuwata-Gonokami, Tokyo Üniversitesi
Daha sonra doğrudan BEC eksitonunu görüntülediler.gerçek uzayda. Orta kızılötesi aralıkta indüklenmiş absorpsiyonla görüntüleme onlara yardımcı oldu. Bu, orta kızılötesi aralıktaki ışığı kullanan bir mikroskopi türüdür. Bu şekilde bilim insanları, eksitonların yoğunluğu ve sıcaklığı dahil olmak üzere hassas ölçümler yapabildiler. Bu da onların eksiton BEC ile geleneksel atomik BEC arasındaki farkları ve benzerlikleri not etmelerine olanak sağladı.
Sırada ne var?
Bilim insanları burada durmayacakelde edildi. Bir sonraki adım, toplu bir yarı iletkende eksitonik bir BEC oluşumunun dinamiklerini incelemek ve bir eksitonik BEC'nin kolektif uyarımlarını incelemektir.
Sonuç olarak fizikçiler bir platform oluşturmayı umuyorlareksitonik BEC'lerin bir sistemine dayanmaktadır. Bu, kuantum özelliklerinin aydınlatılmasına ve çevrelerine güçlü bir şekilde bağlı olan kübitlerin kuantum mekaniğinin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olacaktır.
Daha fazla oku:
Starlink sinyali, GPS'e alternatif olarak kullanılmak üzere hacklendi
"Hubble" evrenin "anahtar deliğine" baktı
NASA, güneş sistemindeki en gizemli gezegen olan Haumea'nın kökenini açıkladı
Kapakta: press.princeton.edu