В наскоро публикуван доклад екипът на Will Lab от Колумбийския университет съобщава за успех в преминаването на прага на BEC и създаването на кондензат на Бозе-Айенщайн (BEC) от NaCs молекули при ултрастудена температура от 5 наноКелвина (= 5 X 10-9 Келвин). Молекулярният квантов кондензат е стабилен с продължителност на живот от около 2 секунди. Това слага край на продължилото няколко десетилетия търсене на молекулен BEC. Това е забележително постижение и крайъгълен камък в науката.
Общоизвестно е, че материята ще бъде в едно от трите състояния, т.е. твърдо, течно или газообразно вещество в зависимост от външни условия като температура и налягане. Например, Х2O се намира като лед, вода или пара при обикновени външни условия.
Когато температурата е над 6000–10,000 XNUMX Келвина, материята се йонизира и се превръща в плазма, материята от четвъртото състояние.
Какво би било състоянието на материята, ако температурата е ултраниска, близо до абсолютната нула?
През 1924-25 г. Сатиендра Нат Бозе и Алберт Айнщайн правят теоретична прогноза, че ако бозон частици (т.е. образувания с целочислена стойност на въртене) се охлаждат до ултраниска температура близо до абсолютната нула, частиците ще се слеят в едно, по-голямо образувание със споделени свойства и поведение, управлявани от законите на квантовата механика. Наречено кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC), това състояние се смяташе за петото състояние на материята.
Състояния на материята | Температурен диапазон на съществуване |
Плазма | над 6000–10,000 XNUMXK |
Gas | За вода над 100°C при нормално атмосферно налягане |
Течност | За вода, между 4°C до 100°C |
Солиден | За вода под 0°C |
Бозе-Айзенщайнов кондензат (BEC) | Близо до абсолютната нула Около 400 nanoKelkin за атомни бозони Около 5 нанокелвина за молекулярна BCE {1 наноКелвин (nK) = 10 -9 Келвин} Абсолютна нула = 0 келвина = -273°C |
Теоретичната прогноза за кондензата на Бозе-Айнщайн (BEC), петото състояние на материята, стана реалност почти седем десетилетия по-късно през 1995 г., когато Ерик Корнел и Карл Виман създадоха първия BEC в газ от рубидиеви атоми, а малко след това Волфганг Кетерле създаде BEC в газ от натриеви атоми. Триото получиха заедно Нобелова награда за физика за 2001 г.за постигането на кондензация на Бозе-Айнщайн в разредени газове на алкални атоми и за ранни фундаментални изследвания на свойствата на кондензатите".
Хронология на напредъка в науката за петото състояние на материята
Важни събития |
1924-25: Теоретичната прогноза за петото състояние на материята. Сатиендра Нат Бозе и Алберт Айнщайн направиха теоретична прогноза, че група от бозонови частици, охладени до почти абсолютна нула, ще се слеят в едно, по-голямо суперсъщество със споделени свойства и поведение, продиктувани от законите на квантовата механика. |
1995: Откриването на петото състояние на материята – създадени са първите атомни BEC. Теоретичната прогноза на Бозе и Айнщайн се превръща в реалност след 70 години, когато Ерик Корнел и Карл Виман създават първия BEC в газ от рубидиеви атоми, а малко след това Волфганг Кетерле произвежда BEC в газ от натриеви атоми. |
Молекулярни BCE Преследването на молекулярни BCEs, което изисква ултра-охлаждане в нанокелвини (10-9 Келвин) обхват |
2008: Дебора Джин и Джун Йе охлади газ от калиево-рубидиеви молекули до около 350 нанокелвина. |
2023: Иън Стивънсън и др създаде първия ултрастуден газ от молекули натрий-цезий (Na-Cs) при температура от 300 нанокелвина (nK), използвайки комбинация от лазерно охлаждане и магнитни манипулации. |
2023: Николо Бигали и др използва микровълни, за да удължи живота на бозонов газ от натриево-цезиеви молекули от няколко милисекунди до над една секунда, критична първа стъпка за охлаждането им. С тяхната по-дълготрайна проба те понижиха температурата до 36 нанокелвина - малко по-малко от температурата, необходима на молекулите да образуват BEC. |
2024: Николо Бигали и др създава BEC на молекулярни бозони (молекули NaCs) при ултрастудена температура от 5 наноКелвина (nK) |
След откриването през 1995 г. лаборатории по целия свят и в Международната космическа станция (МКС) рутинно правят атомни BEC от различни видове атоми.
Молекулен Бозе-Айнщайнов кондензат (BEC)
Атомите са прости, вид кръгли единици без полярни взаимодействия. Следователно изследователите винаги са мислили за създаване на кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC) от молекули. Но създаването на BEC дори на прости молекули, направени от два атома на различни елементи, не беше възможно поради липса на технология за охлаждане на молекулите до няколко нанокелвина (nK), необходими за образуването на молекулярни BEC.
Изследователи от Will Lab на Колумбийския университет последователно работят за разработването на ултрастудена технология. През 2008 г. те успяха да охладят газ от калиево-рубидиеви молекули до около 350 нанокелвина. Той помогна при извършването на квантови симулации и при изучаването на молекулярните сблъсъци и квантовата химия, но не можа да премине прага на BEC. Миналата година през 2023 г. те използваха микровълни, за да удължат живота на бозонов газ от натриево-цезиеви молекули и успяха да постигнат по-ниска температура от 36 нанокелвина, което беше по-близо до прага на BEC.
В наскоро публикуван доклад екипът на Will Lab от Колумбийския университет съобщава за успех в преминаването на прага на BEC и създаването на кондензат на Бозе-Айенщайн (BEC) от NaCs молекули при ултрастудена температура от 5 наноКелвина (= 5 X 10-9 Келвин). Молекулярният квантов кондензат е стабилен с продължителност на живот от около 2 секунди. Това слага край на продължилото няколко десетилетия търсене на молекулен BEC. Това е забележително постижение и крайъгълен камък в науката.
Създаването на молекулярни кондензати на Бозе-Айнщайн (BES) би имало дългосрочно значение за изследванията в областта на фундаменталната квантова физика, квантовите симулации, свръхфлуидността и свръхпроводимостта и иновациите на нови технологии, като нов тип квантов компютър.
***
Литература:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Наблюдение на Бозе-Айнщайнова кондензация на диполярни молекули. Природа (2024). 03 юни 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Предпечатна версия в arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Колумбийски университет 2024. Новини от изследвания – Най-студената лаборатория в Ню Йорк има ново квантово предложение. Публикувано на 03 юни 2024 г. Налично на https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Кралската шведска академия на науките. Разширена информация за Нобеловата награда по физика за 2001 г. – кондензация на Бозе-Айнщайн в алкални газове. Наличен в https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- НАСА. Петото състояние на материята. Наличен в https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***