Kolumbijoje atsiranda unikali kvantinė būsena | Ophthacare

SciTechDaily

Kolumbijos universiteto mokslininkai sukūrė Bose-Einstein kondensatą (BEC), naudodami natrio-cezio molekules, atšaldytą iki penkių nanoKelvinų ir stabilų dvi sekundes. Šis pasiekimas atveria galimybes tyrinėti įvairius kvantinius reiškinius ir imituoti sudėtingų medžiagų kvantines savybes. Kreditas: SciTechDaily.com

Fizikai pas Kolumbijos universitetas perkėlė molekules į naują itin šalto ribą ir sukūrė materijos būseną, kurioje valdo kvantinė mechanika.

Mieste yra karštas naujas BEC, neturintis nieko bendra su šonine, kiaušiniais ir sūriu. Jį rasite ne vietinėje bodegoje, o šalčiausioje Niujorko vietoje: Kolumbijos fiziko Sebastiano Willo laboratorijoje, kurios eksperimentinė grupė specializuojasi atomų ir molekulių stumdymu į temperatūrą, kuri yra vos laipsnio dalimi aukštesnė. absoliučiai nulis.

Įeinant GamtaWill laboratorija, remiama teorinio bendradarbio Tijso Karmano iš Radboudo universiteto Nyderlanduose, iš molekulių sėkmingai sukūrė unikalią kvantinę materijos būseną, vadinamą Bose-Einstein kondensatu (BEC).

Proveržis Bose-Einstein kondensatų srityje

Jų BEC, atšaldytas iki penkių nanoKelvinų arba maždaug -459,66 °F ir stabilus stebėtinai ilgas dvi sekundes, yra pagamintas iš natrio-cezio molekulių. Kaip ir vandens molekulės, šios molekulės yra polinės, tai reiškia, kad jos turi ir teigiamą, ir neigiamą krūvį. Nesubalansuotas elektros krūvio pasiskirstymas palengvina ilgalaikę sąveiką, kuri suteikia įdomiausią fiziką, pažymėjo Will.

Moksliniai tyrimai, kuriuos Will laboratorija nekantrauja atlikti su savo molekuliniais BEC, apima įvairių kvantinių reiškinių, įskaitant naujus superskysčių tipus, materijos būseną, kuri teka nepatiriant jokios trinties, tyrinėjimą. Jie taip pat tikisi savo BEC paversti treniruokliais, galinčiais atkurti sudėtingesnių medžiagų, tokių kaip kietieji kristalai, paslaptingas kvantines savybes.

Kvantinės materijos molekulinė būsena

Naudodami mikrobangas, Kolumbijos fizikai iš natrio ir cezio molekulių sukūrė Bose-Einstein kondensatą – unikalią materijos būseną. Kreditas: Will Lab, Kolumbijos universitetas / Mylesas Marshallas

„Molekuliniai Bose-Einšteino kondensatai atveria visiškai naujas tyrimų sritis – nuo ​​tikrai esminės fizikos supratimo iki galingų kvantinių modeliavimų tobulinimo“, – sakė jis. „Tai įdomus pasiekimas, bet iš tikrųjų tai tik pradžia.

Tai „Wil“ laboratorijos svajonės išsipildymas, kuri buvo kuriama dešimtmečius didesnei ultrašaltų tyrimų bendruomenei.

Ultrašaltos molekulės, kuriamas šimtmetis

BEC mokslas siekia šimtmetį iki fizikų Satyendra Nath Bose ir Albert Einstein. Daugelyje straipsnių, paskelbtų 1924 ir 1925 m., jie prognozavo, kad dalelių grupė, atvėsusi iki beveik sustingimo, susijungs į vieną didesnį viršūnę, turinčią bendras savybes ir elgesį, kurį diktuoja kvantinės mechanikos dėsniai. Jei būtų galima sukurti BEC, jie pasiūlytų tyrėjams viliojančią platformą tyrinėti kvantinę mechaniką lengviau valdomu mastu nei atskiri atomai ar molekulės.

Nuo pirmųjų teorinių prognozių prireikė maždaug 70 metų, tačiau pirmieji atominiai BEC buvo sukurti 1995 m. Šis pasiekimas buvo įvertintas Nobelio fizikos premija 2001 m., maždaug tuo metu, kai Willas pradėjo studijuoti fiziką Mainco universitete Vokietija. Dabar laboratorijos reguliariai gamina atominius BEC iš kelių skirtingų tipų atomų. Šios BEC išplėtė mūsų supratimą apie tokias sąvokas kaip materijos banginė prigimtis ir superskysčiai ir paskatino sukurti tokias technologijas kaip kvantiniai dujų mikroskopai ir kvantiniai simuliatoriai.

Kolumbijos universiteto BEC komanda

Iš kairės į dešinę: asocijuotasis mokslininkas Ianas Stevensonas; Doktorantas Niccolò Bigagli; Doktorantas Weijun Yuan; bakalauro studentas Borisas Bulatovičius; Doktorantė Siwei Zhang; ir vyriausiasis tyrėjas Sebastianas Willas. Nerodoma: Tijs Karman. Kreditas: Kolumbijos universitetas

Tačiau atomai apskritai yra gana paprasti. Jie yra apvalūs objektai ir paprastai neturi sąveikos, kuri gali atsirasti dėl poliškumo. Nuo tada, kai buvo realizuoti pirmieji atominiai BEC, mokslininkai norėjo sukurti sudėtingesnes versijas, sudarytas iš molekulių. Tačiau net paprastas dviatomes molekules, sudarytas iš dviejų tarpusavyje sujungtų skirtingų elementų atomų, buvo sunku atvėsti žemiau temperatūros, reikalingos tinkamam BEC susidarymui.

Pirmasis proveržis įvyko 2008 m., kai JILA Boulder mieste, Kolorado valstijoje, fizikai Deborah Jin ir Jun Ye atšaldė kalio-rubidžio molekulių dujas iki maždaug 350 nanoKelvinų. Tokios itin šaltos molekulės pastaraisiais metais pasirodė naudingos atliekant kvantinius modeliavimus ir tiriant molekulinius susidūrimus bei kvantinę chemiją, tačiau norint peržengti BEC slenkstį reikėjo dar žemesnės temperatūros.

2023 metais Will įrengs laboratoriją pirmosios ultrašaltos dujos jų pageidaujamos molekulės, natrio-cezio, naudojant lazerio aušinimo ir magnetinių manipuliacijų derinį, panašiai kaip Jin ir Ye metodas. Kad būtų šalčiau, atnešdavo mikrobangų krosnelės.

Naujovės su mikrobangų krosnelėmis

Mikrobangų krosnelės yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, turinti ilgą istoriją Kolumbijoje. 1930-aisiais fizikas Izidorius Isaacas Rabi, kuris vėliau gaus Nobelio fizikos premiją, atliko novatorišką darbą su mikrobangomis, dėl kurių buvo sukurtos oro radarų sistemos. „Rabi buvo vienas pirmųjų, kuris kontroliavo molekulių kvantines būsenas ir buvo mikrobangų tyrimų pradininkas“, – sakė Willas. „Mūsų darbas vyksta pagal 90 metų tradicijas.

Nors galbūt esate susipažinę su mikrobangų krosnelių vaidmeniu šildant maistą, paaiškėja, kad jos taip pat gali palengvinti aušinimą. Atskiros molekulės linkusios susidurti viena su kita ir dėl to susidarys didesni kompleksai, kurie išnyksta iš mėginių. Mikrobangų krosnelės gali sukurti mažus skydus aplink kiekvieną molekulę, neleidžiančią joms susidurti – tokią idėją pasiūlė Karmanas, jų bendradarbis Nyderlanduose. Kai molekulės yra apsaugotos nuo nuostolių susidūrimų, iš mėginio pirmiausia galima pašalinti tik karščiausias – tai tas pats fizikos principas, kuris atvėsina jūsų kavos puodelį, kai pučiate išilgai jo viršaus, aiškino autorius Niccolò Bigagli. Likusios molekulės bus vėsesnės, o bendra mėginio temperatūra sumažės.

Praėjusį rudenį paskelbtame darbe komanda priartėjo prie molekulinės BEC sukūrimo Gamtos fizika kurie pristatė mikrobangų ekranavimo metodą. Tačiau reikėjo dar vieno eksperimentinio posūkio. Pridėjus antrąjį mikrobangų lauką, aušinimas tapo dar efektyvesnis, o natrio ir cezio kiekis pagaliau peržengė BEC slenkstį – šį tikslą Will laboratorija siekė nuo pat jos atidarymo Kolumbijoje 2018 m.

„Man tai buvo puiki pabaiga“, – sakė daktaro laipsnį baigęs Bigagli. pavasarį fizikoje ir buvo laboratorijos steigėjas. „Neturėdami laboratorijos, mes pasiekėme šiuos nuostabius rezultatus.

Be susidūrimų mažinimo, antrasis mikrobangų laukas taip pat gali manipuliuoti molekulių orientacija. Tai, savo ruožtu, yra priemonė kontroliuoti jų sąveiką, kurią laboratorija šiuo metu tiria. „Kontroliuodami šias dipolines sąveikas, tikimės sukurti naujas kvantines materijos būsenas ir fazes“, – sakė bendraautorius ir Kolumbijos postdoc Ianas Stevensonas.

Atsiveria naujas kvantinės fizikos pasaulis

Ye, itin šalto mokslo pradininkas, įsikūręs Boulderyje, mano, kad rezultatai yra puikus mokslo kūrinys. “Darbas turės svarbų poveikį daugeliui mokslo sričių, įskaitant kvantinės chemijos tyrimą ir stipriai susijusių kvantinių medžiagų tyrimą”, – komentavo jis. “Will eksperimentas apima tikslią molekulinės sąveikos kontrolę, kad sistema būtų nukreipta į norimą rezultatą – nuostabų kvantinės kontrolės technologijos pasiekimą.”

Tuo tarpu Kolumbijos komanda džiaugiasi, kad turi teorinį molekulių sąveikos aprašymą, kuris buvo patvirtintas eksperimentiškai. „Turime tikrai gerą idėją apie sąveiką šioje sistemoje, kuri taip pat yra labai svarbi tolesniems žingsniams, pavyzdžiui, tiriant dipolinę daugelio kūnų fiziką“, – sakė Karmanas. “Mes sugalvojome sąveikos valdymo schemas, išbandėme jas teoriškai ir įgyvendinome eksperimentuose. Buvo tikrai puiki patirtis pamatyti, kaip šios mikrobangų “ekranavimo” idėjos atgyja laboratorijoje.”

Yra daugybė teorinių prognozių, kurias dabar galima išbandyti eksperimentiškai su molekulinėmis BEC, kurios, kaip pažymėjo pirmasis autorius ir doktorantas Siwei Zhang, yra gana stabilios. Dauguma ultrašaltų eksperimentų atliekami per sekundę – kai kurie net kelias milisekundes, tačiau laboratorijos molekulinės BEC trunka iki dviejų sekundžių. „Tai tikrai leis mums ištirti atvirus kvantinės fizikos klausimus“, – sakė jis.

Viena iš idėjų yra sukurti dirbtinius kristalus, kurių BEC yra įstrigę optinėje gardelėje, pagamintoje iš lazerių. Tai leistų atlikti galingus kvantinius modeliavimus, imituojančius natūralių kristalų sąveiką, pažymėjo Will, kuri yra kondensuotųjų medžiagų fizikos sritis. Kvantiniai simuliatoriai paprastai gaminami naudojant atomus, tačiau atomai turi trumpo nuotolio sąveiką – jie praktiškai turi būti vienas ant kito – o tai riboja, kaip gerai jie gali modeliuoti sudėtingesnes medžiagas. “Molekulinis BEC suteiks daugiau skonio”, – sakė Will.

Tai apima matmenis, sakė pirmasis autorius ir doktorantas Weijunas Yuanas. “Mes norime naudoti BEC 2D sistemoje. Kai pereinate nuo trijų dimensijų prie dviejų, visada galite tikėtis, kad atsiras naujos fizikos”, – sakė jis sistema, pagaminta iš molekulinių BEC, galėtų padėti Willui ir jo kondensuotų medžiagų kolegoms ištirti kvantinius reiškinius, įskaitant superlaidumą, supertakumą ir kt.

„Atrodo, kad atsiveria visiškai naujas galimybių pasaulis“, – sakė Willas.

Nuoroda: Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson ir Sebastian Will “Bose-Einsteino dipolinių molekulių kondensacijos stebėjimas”, 2024 m. birželio 3 d. Gamta.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *