június 20, 2024

Androbit techmagazin

Az Androbit tényeken alapuló híreivel, exkluzív videofelvételeivel, fotóival és frissített térképeivel maradjon naprakész Magyarország legfrissebb fejleményein.

Egyedülálló kvantumállapot jelenik meg Kolumbiában

Egyedülálló kvantumállapot jelenik meg Kolumbiában

A Columbia Egyetem kutatói egy Bose-Einstein kondenzátort (BEC) készítettek nátrium- és céziummolekulák felhasználásával, amelyet mindössze öt nanokelvinre hűtöttek le, és két másodpercig stabilan tartották. Ez az eredmény lehetőséget nyit különféle kvantumjelenségek feltárására és összetett anyagok kvantumtulajdonságainak szimulálására. Jóváírás: SciTechDaily.com

Fizikusok bent Columbia Egyetem Új, ultrahideg szélsőségbe vitték a molekulákat, és olyan halmazállapotot hoztak létre, amelyben a kvantummechanika uralkodik.

Van egy izgalmas új BEC a városban, aminek semmi köze a szalonnához, a tojáshoz és a sajthoz. Nem a helyi áruházban találja meg, hanem New York leghidegebb helyén: Sebastian Weyl fizikus laboratóriumában, a Columbia Egyetemen, akinek kísérleti csoportja atomok és molekulák csak egy fokkal magasabb hőmérsékletre tolására specializálódott. Abszolút nulla.

ird be természeta Weyl Lab a holland Radboud Egyetem elméleti munkatársának, Tijs Karmannak a támogatásával sikeresen létrehozta az anyag egyedi kvantumállapotát, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak (BEC) neveznek molekulákból.

Áttörés a Bose-Einstein kondenzátumokban

BEC-jük mindössze öt nanokelvinre, azaz körülbelül -459,66 Fahrenheit-fokra van lehűtve, rendkívül hosszú két másodpercig stabil, és nátrium- és céziummolekulákból áll. A vízmolekulákhoz hasonlóan ezek a molekulák polárisak, azaz pozitív és negatív töltést is hordoznak. Weil megjegyezte, hogy az elektromos töltés kiegyensúlyozatlan eloszlása ​​megkönnyíti a nagy hatótávolságú kölcsönhatásokat, amelyek a legérdekesebb fizikát alkotják.

A Weill Lab által a Bose-Einstein Molecular segítségével folytatott kutatások során számos különböző kvantumjelenség, köztük a szuperfolyékonyság új típusai, egy olyan állapot, amely súrlódás nélkül áramlik. Azt is remélik, hogy a Bose-Einstein-szimulátorokat olyan szimulátorokká alakítják, amelyek újrateremthetik bonyolultabb anyagok, például szilárd kristályok rejtélyes kvantumtulajdonságait.

A kvantumanyag molekuláris állapota

A Columbia fizikusai a mikrohullámú sütők segítségével létrehoztak egy Bose-Einstein kondenzátumot, egy egyedülálló halmazállapotot nátrium- és céziummolekulákból. A kép jóváírása: Well Lab, Columbia Egyetem/Miles Marshall

„A molekuláris Bose-Einstein kondenzátumok teljesen új kutatási területeket nyitnak meg, az alapvető fizika valódi megértésétől a hatékony kvantumszimulációk kifejlesztéséig” – mondta. „Ez egy izgalmas teljesítmény, de valójában ez csak a kezdet.”

Ez egy valóra vált álom a Weill Lab számára, és egy évtizede készül a nagyobb ultrahideg kutatási közösség számára.

READ  A meteorcsapás "jelentős, helyrehozhatatlan" károkat okozott a James Webb űrteleszkópban | tudományos és technológiai hírek

Ultrahideg molekulák, egy évszázada készülőben

A BEC-ek tudománya egy évszázadra nyúlik vissza Satyendra Nath Bose és Albert Einstein fizikusokig. Az 1924-ben és 1925-ben publikált cikkek sorozatában azt jósolták, hogy a közel álló helyzetig lehűtött részecskék gyűjteménye egyetlen, nagyobb atommá egyesül, amelyek közös tulajdonságait és viselkedését a kvantummechanika törvényei diktálják. Ha sikerülne létrehozni a BEC-ket, akkor vonzó platformot biztosítanának a kutatóknak a kvantummechanika könnyebben hozzáférhető méretekben való felfedezéséhez, mint az egyes atomok vagy molekulák.

Körülbelül 70 év telt el az első elméleti jóslatok óta, de az első atomi BEC-ket 1995-ben hozták létre. Ezt az eredményt 2001-ben fizikai Nobel-díjjal ismerték el, körülbelül akkor, amikor Weyl a Mainzi Egyetemen kezdett fizikával foglalkozni. Németországban. A laboratóriumok ma már rutinszerűen állítanak elő Bose-Einstein atomokat számos különböző típusú atomból. Ezek a BEC-ek kibővítették az olyan fogalmak megértését, mint az anyag hullámtermészete és a szuperfolyadékok, és olyan technológiák kifejlesztéséhez vezettek, mint a kvantumgázmikroszkópok és kvantumszimulátorok, hogy csak néhányat említsünk.

A Columbia Egyetem BEC csapata

Balról jobbra: Ian Stevenson kutatótárs; PhD hallgató Niccolò Bigagli; PhD hallgató Weijun Yuan; Borisz Bulatovics egyetemista; doktorandusz Siwei Zhang; és Sebastian Weil nyomozóvezető. Nem látható: Tejce Kerman. Hitel: Columbia Egyetem

De az atomok a dolgok nagy rendszerében viszonylag egyszerűek. Ezek kerek tárgyak, és általában nem tartalmaznak olyan kölcsönhatásokat, amelyek a polaritásból származhatnak. Az első atomi BEC-ek elérése óta a tudósok bonyolultabb, molekulákból álló változatokat akartak létrehozni. De még az egyszerű kétatomos molekulákat is nehéz a megfelelő BEC kialakításához szükséges hőmérséklet alá hűteni.

Az első áttörést 2008-ban érte el, amikor Deborah Jin és Jun Yi, a Colorado állambeli Boulderben található Gila Intézet fizikusai körülbelül 350 nanokelvinre hűtötték le a kálium- és rubídiummolekulákból álló gázt. Az ilyen ultrahideg molekulák az elmúlt években hasznosnak bizonyultak kvantumszimulációk végrehajtásában, molekuláris ütközések és kvantumkémia tanulmányozásában, de a BEC küszöb átlépéséhez alacsonyabb hőmérsékletre volt szükség.

READ  Fedezze fel a furcsa méhfajokat egy kutyaszerű orr segítségével

2023-ban létrehozta a Will’s Lab-ot Az első rendkívül hideg gáz az általuk választott molekulából, a nátriumból és a céziumból, a lézeres hűtés és a mágneses manipuláció kombinációját alkalmazva, hasonlóan Jin Wei megközelítéséhez. Hogy hűvösebb legyen, bevitték a mikrohullámú sütőt.

Újítások a mikrohullámú sütővel

A mikrohullámú sütő az elektromágneses sugárzás egyik formája, és hosszú múltra tekint vissza Kolumbiában. Az 1930-as években Isidore Isaac Rabi fizikus, aki később fizikai Nobel-díjat kapott, úttörő munkát végzett a mikrohullámú sütők területén, amely a légi radarrendszerek kifejlesztéséhez vezetett. „Rabe volt az egyik első, aki elsajátította a molekulák kvantumállapotait, és úttörő volt a mikrohullámú kutatásban” – mondta Weil. „Vállalkozásunk ezt a 90 éves hagyományt követi.”

Bár lehet, hogy ismeri a mikrohullámok szerepét az étel melegítésében, kiderül, hogy a hűtési folyamatot is megkönnyíthetik. Az egyes molekulák hajlamosak egymásnak ütközni, és ennek eredményeként nagyobb komplexeket képeznek, amelyek eltűnnek a mintákból. A mikrohullámok apró pajzsokat hozhatnak létre minden molekula körül, megakadályozva azok ütközését – ezt Karman, holland kollégájuk javasolta. Az elmulasztott ütközésektől védett molekulákkal csak a legforróbb molekulák távolíthatók el a mintából, ami ugyanaz a fizikai elv, amely lehűti a kávéscsészét, amikor ráfúj a tetejére – magyarázza Niccolò Bigagli szerző. A fennmaradó molekulák hidegebbek lesznek, és a minta általános hőmérséklete csökken.

A csapat tavaly ősszel közel került ahhoz, hogy létrehozzon egy molekuláris BEC-et a ben publikált munkája során Természetfizika Ami bevezette a mikrohullámú árnyékolási módszert. De újabb kísérleti fejlesztésre volt szükség. Amikor hozzáadtak egy második mikrohullámú mezőt, a hűtés hatékonyabbá vált, és a cézium-nátrium végre átlépte a BEC-küszöböt, ezt a célt Weill laboratóriuma a 2018-as kolumbiai megnyitása óta elérte.

„Ez egy nagyszerű finálé volt számomra” – mondta Bigagli, aki idén tavasszal szerzett fizikából doktori címet, és a laboratórium alapító tagja volt. „A laboratórium hiányától eljutottunk ezekhez a csodálatos eredményekhez.”

Az ütközések csökkentése mellett a második mikrohullámú mező a molekulák orientációját is szabályozhatja. Ez pedig egy módja annak, hogy ellenőrizzék, hogyan lépnek kapcsolatba egymással, amit a labor jelenleg is vizsgál. „A dipólus kölcsönhatások szabályozásával azt reméljük, hogy az anyag új kvantumállapotait és fázisait hozzuk létre” – mondta Ian Stevenson, a Columbia Egyetem társszerzője és posztdoktori kutatója.

READ  Megjelent egy új, pontos térkép az univerzum mindenéről

A kvantumfizika új világa nyílik meg

Yi, az ultrahideg tudomány Boulder-alapú úttörője az eredményeket gyönyörű tudománynak tartja. „A munka számos tudományterületre jelentős hatással lesz, beleértve a kvantumkémia tanulmányozását és az erősen kapcsolt kvantumanyagok feltárását” – kommentálta. „Weill kísérlete a molekuláris kölcsönhatások pontos szabályozását tartalmazza, hogy a rendszert a kívánt eredmény felé terelje, ami figyelemre méltó eredmény a kvantumszabályozási technológia terén.”

Eközben a Columbia csapata izgatottan várja, hogy kísérletileg validálják az intermolekuláris kölcsönhatások elméleti leírását. „Már van egy jó elképzelésünk a rendszer kölcsönhatásairól, ami szintén kulcsfontosságú a következő lépésekhez, például a többpólusú testek fizikájának feltárásához” – mondta Kerman. „Sémákat találtunk ki a reakciók szabályozására, elméletileg teszteltük, és kísérletben megvalósítottuk. Nagyon klassz élmény volt látni, hogy a mikrohullámú „védelmi” ötleteket a laboratóriumban megvalósították.”

Több tucat elméleti előrejelzés létezik, amelyek most kísérletileg tesztelhetők molekuláris BEC-k ​​segítségével, amelyekről a társszerző és a doktorandusz, Siwei Zhang rámutat, hogy meglehetősen stabilak. A legtöbb ultrahideg kísérletet egy másodpercen belül elvégzik, néhány ezredmásodperc is rövid, de a laboratóriumi BEC molekuláris reakciók két másodpercnél tovább tartanak. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk a kvantumfizika nyitott kérdéseit” – mondta.

Az egyik ötlet az, hogy mesterséges Bose-Einstein kristályokat hozzanak létre, amelyek lézerekből készült optikai rácsba záródnak. Ez lehetővé tenné olyan erőteljes kvantumszimulációkat, amelyek utánozzák a természetes kristályok kölcsönhatását, jegyezte meg Weil, és a kondenzált anyag fizikájának fókuszterülete. A kvantumszimulátorok rutinszerűen készülnek atomok felhasználásával, de az atomok rövid hatótávolságú kölcsönhatásokkal rendelkeznek – ahol gyakorlatilag egymáson kell lenniük –, ami korlátozza az összetettebb anyagok modellezésének mértékét. „A molekuláris BEC több ízt fog adni” – mondta Weil.

Ez magában foglalja a méreteket is, mondta Weijun Yuan társszerző és doktorandusz. „Szeretnénk használni a BEC-ket egy 2D-s rendszerben, amikor a 3D-ről a 2D-re térünk át, akkor mindig számíthatunk arra, hogy a 2D-s anyagok a molekuláris modellrendszerrel foglalkoznak A BEC-k ​​segíthetnek Weilnek és kollégáinak az Intensive kvantumjelenségek feltárásában, beleértve a szupravezetést, a szuperfluiditást és egyebeket.

„Úgy tűnik, a lehetőségek teljesen új világa nyílik meg” – mondta Will.

Hivatkozás: Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson és Sebastian Weyl „Dipólrészecskék Bose-Einstein kondenzátumainak megfigyelése”, 2024. június 3. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z