Neseniai paskelbtoje ataskaitoje Kolumbijos universiteto Will Lab komanda praneša, kad pavyko peržengti BEC slenkstį ir sukurti Bose-Eienstein kondensatą (BEC) iš NaCs molekulių esant itin šaltai 5 nanoKelvinų temperatūrai (= 5 x 10).-9 Kelvinas). Molekulinis kvantinis kondensatas buvo stabilus, jo tarnavimo laikas buvo apie 2 sekundes. Tai užbaigia kelis dešimtmečius trukusį molekulinės BEC siekimą. Tai puikus pasiekimas ir mokslo etapas.
Paprastai žinoma, kad materija būtų vienoje iš trijų būsenų, ty. kietas, skystas arba dujinis, priklausomai nuo išorinių sąlygų, tokių kaip temperatūra ir slėgis. Pavyzdžiui, H2O įprastomis išorės sąlygomis randamas kaip ledas, vanduo arba garai.
Kai temperatūra viršija 6000–10,000 XNUMX kelvinų, medžiaga jonizuojasi ir virsta plazma, ketvirtos būsenos materija.
Kokia būtų materijos būsena, jei temperatūra būtų itin žema, artima absoliučiam nuliui?
1924–25 m. Satyendra Nath Bose ir Albert Einstein padarė teorinę prognozę, kad jei bozonas dalelės (ty subjektai, kurių sukimosi vertė yra sveikasis skaičius) atšaldomos iki itin žemos temperatūros, artimos absoliučiam nuliui, dalelės susijungtų į vieną didesnį objektą, turintį bendrų savybių ir elgesio, kurį reglamentuoja kvantinės mechanikos dėsniai. Manoma, kad ši būsena, vadinama Bose-Einstein kondensatu (BEC), yra penktoji materijos būsena.
| materijos būsenos | Egzistencijos temperatūros diapazonas |
| Plazma | virš 6000–10,000 XNUMX tūkst |
| Dujos | Vandeniui, virš 100°C esant normaliam atmosferos slėgiui |
| Skystis | Vandeniui nuo 4°C iki 100°C |
| Kietas | Vandeniui, žemesnėje nei 0°C temperatūroje |
| Bose-Eisenstein kondensatas (BEC) | Arti absoliutaus nulio Apie 400 nanoKelkinų atominiams bozonams Apie 5 nanokelvinus molekuliniam BCE {1 nanoKelvinas (nK) = 10 -9 Kelvinas} Absoliutus nulis = 0 kelvinų = -273°C |
Teorinė Bose-Einstein kondensato (BEC), penktosios materijos būsenos, prognozė tapo realybe po beveik septynių dešimtmečių, 1995 m., kai Ericas Cornell ir Carlas Wiemanas sukūrė pirmąjį BEC rubidžio atomų dujose, o netrukus po to Wolfgangas Ketterle BEC natrio atomų dujose. Trijulė kartu buvo apdovanota Nobelio fizikos premija 2001 m.už Bose-Einšteino kondensaciją praskiestose šarminių atomų dujose ir ankstyviems fundamentaliems kondensatų savybių tyrimams".
Penktosios materijos būsenos mokslo pažangos tvarkaraštis
| Etapai |
| 1924–25: Teorinė penktosios materijos būsenos prognozė. Satyendra Nath Bose ir Albert Einstein padarė teorinę prognozę, kad bozono dalelių grupė, atvėsusi iki beveik absoliutaus nulio, susijungs į vieną didesnį supersubjektą, turintį bendras savybes ir elgesį, kurį diktuoja kvantinės mechanikos dėsniai. |
| 1995 m.: Penktosios materijos būsenos atradimas – sukurti pirmieji atominiai BEC. Teorinė Bose ir Einstein prognozė tampa realybe po 70 metų, kai Ericas Cornell ir Carlas Wiemanas sukūrė pirmąjį BEC rubidžio atomų dujose, o netrukus po to Wolfgangas Ketterle'is pagamino BEC natrio atomų dujose. |
| Molekuliniai BCE Molekulinių BCE, kurioms reikalingas itin didelis aušinimas nanoKelvine, siekimas (10-9 Kelvinas) diapazonas |
| 2008: Deborah Jin ir Jun Ye atšaldė kalio-rubidžio molekulių dujas iki maždaug 350 nanoKelvinų. |
| 2023: Ian Stevenson et al sukūrė pirmąsias ultrašaltas natrio-cezio (Na-Cs) molekulių dujas 300 nanoKelvinų (nK) temperatūroje, naudodamas lazerio aušinimo ir magnetinių manipuliacijų derinį. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al naudojo mikrobangas, kad pailgintų natrio ir cezio molekulių bozoninių dujų gyvavimo trukmę nuo kelių milisekundžių iki daugiau nei vienos sekundės, o tai yra svarbus pirmasis žingsnis siekiant jas aušinti. Turėdami ilgiau trunkantį mėginį, jie sumažino temperatūrą iki 36 nanoKelvinų – tik mažiau nei temperatūra, reikalinga molekulėms suformuoti BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al sukuria molekulinių bozonų (NaCs molekulių) BEC esant itin šaltai 5 nanoKelvinų (nK) temperatūrai |
Nuo atradimo 1995 m., laboratorijos visame pasaulyje ir Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) reguliariai gamina atominius BEC iš įvairių tipų atomų.
Molekulinė Bose-Einšteino kondensatas (BEC)
Atomai yra paprasti, apvalūs subjektai, neturintys polinės sąveikos. Taigi mokslininkai visada galvojo sukurti Bose-Einstein kondensatą (BEC) iš molekulių. Tačiau sukurti net paprastų molekulių, sudarytų iš dviejų skirtingų elementų atomų, BEC nebuvo įmanoma, nes trūko technologijos molekulėms atvėsinti iki kelių nanoKelvinų (nK), reikalingų molekuliniam BEC susidarymui.
Kolumbijos universiteto Will Lab mokslininkai nuolat dirbo kurdami ultrašalto technologiją. 2008 m. jie sugebėjo atšaldyti kalio-rubidžio molekulių dujas iki maždaug 350 nanoKelvinų. Tai padėjo atlikti kvantinius modeliavimus ir tirti molekulinius susidūrimus bei kvantinę chemiją, bet negalėjo peržengti BEC slenksčio. Pernai, 2023 m., jie naudojo mikrobangas, kad pailgintų natrio-cezio molekulių bozoninių dujų eksploatavimo trukmę, ir sugebėjo pasiekti žemesnę 36 nanoKelvinų temperatūrą, kuri buvo arčiau BEC slenksčio.
Neseniai paskelbtoje ataskaitoje Kolumbijos universiteto Will Lab komanda praneša, kad pavyko peržengti BEC slenkstį ir sukurti Bose-Eienstein kondensatą (BEC) iš NaCs molekulių esant itin šaltai 5 nanoKelvinų temperatūrai (= 5 x 10).-9 Kelvinas). Molekulinis kvantinis kondensatas buvo stabilus, jo tarnavimo laikas buvo apie 2 sekundes. Tai užbaigia kelis dešimtmečius trukusį molekulinės BEC siekimą. Tai puikus pasiekimas ir mokslo etapas.
Molekulinių Bose-Einšteino kondensatų (BES) kūrimas turėtų ilgalaikės reikšmės fundamentinės kvantinės fizikos, kvantinio modeliavimo, supertakumo ir superlaidumo tyrimams bei naujų technologijų, pavyzdžiui, naujo tipo kvantinių kompiuterių, inovacijoms.
***
Nuorodos:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. ir kt. Dipolinių molekulių Bose-Einstein kondensacijos stebėjimas. Gamta (2024). 03 m. birželio 2024 d. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Išankstinė versija arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Kolumbijos universitetas, 2024 m. Mokslinių tyrimų naujienos – Šalčiausia laboratorija Niujorke turi naują kvantinį pasiūlymą. Paskelbta 03 m. birželio 2024 d https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Švedijos karališkoji mokslų akademija. Išplėstinė informacija apie 2001 m. Nobelio fizikos premiją – Bose-Einstein kondensaciją šarminėse dujose. Galimas adresu https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Penktoji materijos būsena. Galimas adresu https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}