У нядаўна апублікаванай справаздачы каманда лабараторыі Уіла з Калумбійскага ўніверсітэта паведамляе пра поспех у пераадоленні парога БЭК і стварэнні кандэнсату Бозэ-Эйенштэйна (БЭК) малекул NaCs пры ультраніжняй тэмпературы 5 нанакельвінаў (= 5 X 10⁻⁹ Кельвіна ). Малекулярны квантавы кандэнсат быў стабільны з працягласцю жыцця каля 2 секунд. Гэта паклала канец шматгадовым пошукам малекулярнага БЭК. Гэта выдатнае дасягненне і важная падзея ў навуцы.
Агульнавядома, што рэчыва знаходзіцца ў адным з трох станаў: цвёрдым, вадкім або газападобным, у залежнасці ад знешніх умоў, такіх як тэмпература і ціск. Напрыклад, H₂O пры звычайных знешніх умовах знаходзіцца ў выглядзе лёду, вады або пары.
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 Натх Бозэ і Альберт Эйнштэйн зрабілі тэарэтычнае прадказанне, што калі базонныя часціцы (г.зн. аб'екты з цэлым спінам) астудзіць да звышнізкай тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля, то часціцы аб'яднаюцца ў адзіную, большую сутнасць з агульнымі ўласцівасцямі і паводзінамі, якія рэгулююцца законамі квантавай механікі. Гэты стан, які называўся кандэнсатам Бозэ-Эйнштэйна (КБЭ), лічыўся пятым станам рэчыва.
| 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 (КБЭ), пятага стану рэчыва, стала рэальнасцю амаль праз сем дзесяцігоддзяў у 1995 годзе, калі Эрык Карнэл і Карл Віман стварылі першы КБЭ ў газе атамаў рубідыя, а неўзабаве пасля гэтага Вольфганг Кетэрле стварыў КБЭ ў газе атамаў натрыю. Тройка вучняў сумесна была ўзнагароджана Нобелеўскай прэміяй па фізіцы 2001 года за дасягненне кандэнсацыі Бозэ-Эйнштэйна ў разведзеных газах атамаў шчолачных металаў і за раннія фундаментальныя даследаванні ўласцівасцей гэтых 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 (БЭК)
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 апублікаванай справаздачы каманда лабараторыі Уіла з Калумбійскага ўніверсітэта паведамляе пра поспех у пераадоленні парога БЭК і стварэнні кандэнсату Бозэ-Эйенштэйна (БЭК) малекул NaCs пры ультраніжняй тэмпературы 5 нанакельвінаў (= 5 X 10⁻⁹ Кельвіна ). Малекулярны квантавы кандэнсат быў стабільны з працягласцю жыцця каля 2 секунд. Гэта паклала канец шматгадовым пошукам малекулярнага БЭК. Гэта выдатнае дасягненне і важная падзея 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/
***
 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}