У нядаўна апублікаваным дакладзе каманда Will Lab з Калумбійскага ўніверсітэта паведамляе аб поспеху ў перасячэнні парога БЭК і стварэнні кандэнсату Бозэ-Эйнштэйна (БЭК) малекул NaCs пры звышхалоднай тэмпературы 5 нанаКельвінаў (= 5 X 10-9 Кельвін). Малекулярны квантавы кандэнсат быў стабільным з працягласцю жыцця каля 2 секунд. Гэта завяршае некалькі дзесяцігоддзяў пагоні за малекулярным BEC. Гэта выдатнае дасягненне і важная вяха ў навуцы.
Агульнавядома, што рэчыва будзе знаходзіцца ў адным з трох станаў, а менавіта. цвёрдае, вадкае або газавае рэчыва ў залежнасці ад знешніх умоў, такіх як тэмпература і ціск. Напрыклад, Х2O знаходзіцца ў выглядзе лёду, вады ці пары ў звычайных знешніх умовах.
Калі тэмпература перавышае 6000–10,000 XNUMX кельвінаў, рэчыва іянізуецца і ператвараецца ў плазму, матэрыю чацвёртага стану.
Якім будзе стан рэчыва, калі тэмпература будзе звышнізкай, блізкай да абсалютнага нуля?
У 1924-25 гадах Сацьендра Нат Бос і Альберт Эйнштэйн зрабілі тэарэтычны прагноз, што калі базон часціцы (г. зн. аб'екты з цэлым лікавым значэннем спіна) астуджаюцца да звышнізкай тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля, часціцы аб'ядноўваюцца ў адзінае больш буйное цэлае з агульнымі ўласцівасцямі і паводзінамі, якія рэгулююцца законамі квантавай механікі. Гэты стан, які называецца кандэнсатам Бозэ-Эйнштэйна (BEC), лічыўся пятым станам матэрыі.
| Станы матэрыі | Тэмпературны дыяпазон існавання |
| Плазма | вышэй за 6000–10,000 XNUMXK |
| Газ | Для вады - вышэй за 100°C пры нармальным атмасферным ціску |
| Вадкасць | Для вады - ад 4°C да 100°C |
| Цвёрды | Для вады ніжэй за 0°C |
| Бозэ-Эйзенштэйна кандэнсат (BEC) | Каля абсалютнага нуля Каля 400 нанакелкінаў для атамных базонаў Каля 5 нанакельвінаў для малекулярнай BCE {1 нанаКельвін (нК) = 10 -9 Кельвін} Абсалютны нуль = 0 кельвінаў = -273°C |
Тэарэтычнае прадказанне кандэнсату Бозэ-Эйнштэйна (BEC), пятага стану рэчыва, стала рэальнасцю амаль праз сем дзесяцігоддзяў, у 1995 годзе, калі Эрык Корнэл і Карл Уіман стварылі першы BEC у газе з атамаў рубідыя, а неўзабаве пасля гэтага Вольфганг Кеттэрле вырабіў БЭК у газе з атамаў натрыю. Трыо сумесна атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы 2001″для дасягнення Бозэ-Эйнштэйнавай кандэнсацыі ў разведзеных газах шчолачных атамаў і для ранніх фундаментальных даследаванняў уласцівасцей кандэнсатаў».
Храналогія прагрэсу ў навуцы аб пятым стане рэчыва
| асноўныя этапы |
| 1924-25: Тэарэтычнае прадказанне пятага стану матэрыі. Сацьендра Нат Бозэ і Альберт Эйнштэйн зрабілі тэарэтычны прагноз аб тым, што група часціц базонаў, астуджаных амаль да абсалютнага нуля, аб'яднаецца ў адну больш буйную звышсутнасць з агульнымі ўласцівасцямі і паводзінамі, прадыктаванымі законамі квантавай механікі. |
| 1995: Адкрыццё пятага стану рэчыва - створаны першыя атамныя BEC. Тэарэтычнае прадказанне Бозэ і Эйнштэйна стала рэальнасцю праз 70 гадоў, калі Эрык Корнэл і Карл Уіман стварылі першы БЭК у газе з атамаў рубідыя, а неўзабаве пасля гэтага Вольфганг Кеттэрле стварыў БЭК у газе з атамаў натрыю. |
| Малекулярныя BCE Пагоня за малекулярнымі BCE, якія патрабуюць ультра-астуджэння ў нанаКельвінах (10-9 Кельвін) дыяпазон |
| 2008: Дэбора Джын і Джун Е астудзіла газ з малекул калію і рубідыя прыблізна да 350 нанаКельвінаў. |
| 2023: Ян Стывенсан і інш стварыў першы ультрахалодны газ з малекул натрый-цэзій (Na-Cs) пры тэмпературы 300 нанаКельвінаў (нК), выкарыстоўваючы спалучэнне лазернага астуджэння і магнітных маніпуляцый. |
| 2023: Нікало Бігальі і інш выкарыстаў мікрахвалевыя печы, каб павялічыць працягласць жыцця базоннага газу з малекул натрыю і цэзію з некалькіх мілісекунд да больш чым адной секунды, што з'яўляецца важным першым крокам для іх астуджэння. З іх больш працяглым узорам яны знізілі тэмпературу да 36 нанаКельвінаў - крыху менш, чым тэмпература, неабходная для малекул, каб утварыць BEC. |
| 2024: Нікало Бігальі і інш стварае BEC малекулярных базонаў (малекул NaCs) пры звышхалоднай тэмпературы 5 нанаКельвінаў (нК) |
З моманту адкрыцця ў 1995 годзе лабараторыі па ўсім свеце і на Міжнароднай касмічнай станцыі (МКС) рэгулярна ствараюць атамныя BEC з розных тыпаў атамаў.
Малекулярны Кандэнсат Бозэ-Эйнштэйна (BEC)
Атамы - гэта простыя круглыя сутнасці без палярных узаемадзеянняў. Такім чынам, даследчыкі заўсёды думалі аб стварэнні кандэнсату Бозэ-Эйнштэйна (BEC) з малекул. Але стварэнне БЭК нават простых малекул, якія складаюцца з двух атамаў розных элементаў, было немагчымым з-за адсутнасці тэхналогіі астуджэння малекул да некалькіх нанаКельвінаў (нК), неабходных для фарміравання малекулярных БЭК.
Даследчыкі з лабараторыі Уіла Калумбійскага ўніверсітэта паслядоўна працавалі над распрацоўкай ультрахалоднай тэхналогіі. У 2008 годзе яны змаглі астудзіць газ малекул калія-рубідыя прыкладна да 350 нанаКельвінаў. Гэта дапамагло ў выкананні квантавага мадэлявання і ў вывучэнні малекулярных сутыкненняў і квантавай хіміі, але не змагло перасягнуць парог BEC. У мінулым годзе, у 2023 годзе, яны выкарыстоўвалі мікрахвалевыя печы, каб павялічыць працягласць жыцця базоннага газу з малекул натрыю і цэзію, і змаглі дасягнуць больш нізкай тэмпературы ў 36 нанаКельвінаў, што было бліжэй да парога BEC.
У нядаўна апублікаваным дакладзе каманда Will Lab з Калумбійскага ўніверсітэта паведамляе аб поспеху ў перасячэнні парога БЭК і стварэнні кандэнсату Бозэ-Эйнштэйна (БЭК) малекул NaCs пры звышхалоднай тэмпературы 5 нанаКельвінаў (= 5 X 10-9 Кельвін). Малекулярны квантавы кандэнсат быў стабільным з працягласцю жыцця каля 2 секунд. Гэта завяршае некалькі дзесяцігоддзяў пагоні за малекулярным BEC. Гэта выдатнае дасягненне і важная вяха ў навуцы.
Стварэнне малекулярных кандэнсатаў Бозэ-Эйнштэйна (BES) будзе мець доўгатэрміновае значэнне для даследаванняў у галіне фундаментальнай квантавай фізікі, квантавага мадэлявання, звышцякучасці і звышправоднасці і інавацый новых тэхналогій, такіх як квантавы кампутар новага тыпу.
***
Спасылкі:
- Бігаглі Н., Юань В., Чжан С. і інш. Назіранне Бозэ-Эйнштэйнавай кандэнсацыі дыпалярных малекул. Прырода (2024). 03 чэрвеня 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Прэпрынтная версія на arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Калумбійскі універсітэт 2024. Навіны даследаванняў – Самая халодная лабараторыя ў Нью-Ёрку прапануе новую квантавую прапанову. Апублікавана 03 чэрвеня 2024 г. Даступна па адрасе https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Каралеўская шведская акадэмія навук. Пашыраная інфармацыя пра Нобелеўскую прэмію па фізіцы 2001 г. – кандэнсацыя Бозэ-Эйнштэйна ў шчолачных газах. Даступны па адрасе https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- НАСА. Пяты стан матэрыі. Даступны па адрасе https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
