[ad_1]
W mieście pojawił się nowy BEC, który nie ma nic wspólnego z bekonem, jajkiem i serem. Nie znajdziesz go w lokalnej bodegi, ale w najzimniejszym miejscu w Nowym Jorku: w laboratorium fizyka z Columbii Sebastiana Willa, którego grupa eksperymentalna specjalizuje się w popychaniu atomów i cząsteczek do temperatur zaledwie ułamków stopnia powyżej zera bezwzględnego.
Pisząc w NaturaLaboratorium Willa, wspierane przez teoretycznego współpracownika Tijsa Karmana z Uniwersytetu Radboud w Holandii, z powodzeniem stworzyło unikalny kwantowy stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina (BEC) z cząsteczek.
Ich BEC, schłodzony do zaledwie pięciu nanoKelwinów, czyli około -459,66 °F, i stabilny przez uderzająco długie dwie sekundy, jest wykonany z cząsteczek sodu i cezu. Podobnie jak cząsteczki wody, cząsteczki te są polarne, co oznacza, że posiadają zarówno ładunek dodatni, jak i ujemny. Niezrównoważony rozkład ładunku elektrycznego ułatwia interakcje dalekiego zasięgu, które tworzą najbardziej interesującą fizykę, zauważył Will.
Badania, które laboratorium Willa zamierza przeprowadzić z wykorzystaniem molekularnych BEC, obejmują eksplorację szeregu różnych zjawisk kwantowych, w tym nowych rodzajów nadciekłości, stanu materii, która płynie bez tarcia. Mają również nadzieję przekształcić swoje BEC w symulatory, które mogą odtworzyć enigmatyczne właściwości kwantowe bardziej złożonych materiałów, takich jak stałe kryształy.
„Molekularne kondensaty Bosego-Einsteina otwierają zupełnie nowe obszary badań, od zrozumienia prawdziwie fundamentalnej fizyki po zaawansowane symulacje kwantowe” – powiedział. „To ekscytujące osiągnięcie, ale tak naprawdę to dopiero początek”.
Jest to spełnienie marzeń laboratorium Willa, które od dziesięcioleci jest w przygotowaniu dla większej społeczności badawczej zajmującej się ultrazimnymi cząstkami.
Aby było zimniej, dodaj mikrofale
Mikrofale są formą promieniowania elektromagnetycznego o długiej historii w Columbia. W latach trzydziestych XX wieku fizyk Isidor Isaac Rabi, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, wykonał pionierską pracę nad mikrofalami, która doprowadziła do rozwoju systemów radarowych w powietrzu. „Rabi był jednym z pierwszych, którzy kontrolowali stany kwantowe cząsteczek i był pionierem badań nad mikrofalami” – powiedział Will. „Nasza praca wpisuje się w tę 90-letnią tradycję”.
Chociaż mikrofale mogą być znane z podgrzewania żywności, okazuje się, że mogą one również ułatwiać chłodzenie. Poszczególne cząsteczki mają tendencję do wpadania na siebie i w rezultacie tworzą większe kompleksy, które znikają z próbek. Mikrofale mogą tworzyć małe osłony wokół każdej cząsteczki, które zapobiegają ich zderzaniu się, pomysł zaproponowany przez Karmana, ich współpracownika w Holandii. Z cząsteczkami chronionymi przed stratnymi zderzeniami, tylko te najgorętsze mogą być preferencyjnie usuwane z próbki – ta sama zasada fizyki, która chłodzi filiżankę kawy, gdy dmuchasz wzdłuż jej górnej części, wyjaśnił autor Niccolò Bigagli. Te cząsteczki, które pozostaną, będą chłodniejsze, a ogólna temperatura próbki spadnie.
Zespół był bliski stworzenia molekularnego BEC jesienią ubiegłego roku w pracy opublikowanej w Nature Physics który wprowadził metodę ekranowania mikrofalowego. Gdy dodano drugie pole mikrofalowe, chłodzenie stało się jeszcze bardziej wydajne, a sód i cez w końcu przekroczyły próg BEC – cel, do którego dążyło laboratorium Willa od czasu jego otwarcia na Columbii w 2018 roku.
„To było dla mnie fantastyczne zamknięcie” – powiedział Bigagli, który tej wiosny ukończył doktorat z fizyki i był członkiem-założycielem laboratorium. „Przeszliśmy od braku laboratorium do tych fantastycznych wyników”.
Oprócz redukcji kolizji, drugie pole mikrofalowe może również manipulować orientacją cząsteczek. To z kolei jest sposobem na kontrolowanie ich interakcji, co obecnie bada laboratorium. „Kontrolując te dipolarne interakcje, mamy nadzieję stworzyć nowe stany kwantowe i fazy materii” – powiedział współautor i postdoc z Columbii Ian Stevenson.
Otwiera się nowy świat dla fizyki kwantowej
Ye, pionier ultrazimnej nauki z siedzibą w Boulder, uważa wyniki za piękny kawałek nauki. „Praca ta będzie miała istotny wpływ na wiele dziedzin nauki, w tym na badanie chemii kwantowej i eksplorację silnie skorelowanych materiałów kwantowych” – skomentował. „Eksperyment Willa charakteryzuje się precyzyjną kontrolą interakcji molekularnych w celu sterowania systemem w kierunku pożądanego wyniku – to wspaniałe osiągnięcie w technologii kontroli kwantowej”.
Tymczasem zespół z Columbii jest podekscytowany teoretycznym opisem interakcji między cząsteczkami, który został potwierdzony eksperymentalnie. „Naprawdę mamy dobre pojęcie o interakcjach w tym systemie, co ma również kluczowe znaczenie dla kolejnych kroków, takich jak badanie fizyki wielu ciał dipolarnych” – powiedział Karman. „Wymyśliliśmy schematy kontrolowania interakcji, przetestowaliśmy je w teorii i wdrożyliśmy w eksperymencie. To było naprawdę niesamowite doświadczenie widzieć, jak te pomysły na „ekranowanie” mikrofalowe są realizowane w laboratorium”.
Istnieją dziesiątki przewidywań teoretycznych, które można teraz przetestować eksperymentalnie za pomocą molekularnych BEC, które, jak zauważył współautor pracy i doktorant Siwei Zhang, są dość stabilne. Większość ultrazimnych eksperymentów odbywa się w ciągu sekundy – niektóre trwają zaledwie kilka milisekund – ale molekularne BEC w laboratorium trwają ponad dwie sekundy. „To naprawdę pozwoli nam zbadać otwarte pytania w fizyce kwantowej” – powiedział.
Jednym z pomysłów jest stworzenie sztucznych kryształów z BEC uwięzionymi w sieci optycznej wykonanej z laserów. Umożliwiłoby to potężne symulacje kwantowe, które naśladowałyby interakcje w naturalnych kryształach, zauważył Will, co jest głównym obszarem zainteresowania fizyki materii skondensowanej. Symulatory kwantowe są rutynowo wykonywane z atomów, ale atomy mają interakcje krótkiego zasięgu – praktycznie muszą znajdować się jeden na drugim – co ogranicza ich zdolność do modelowania bardziej skomplikowanych materiałów. „Molekularny BEC wprowadzi więcej smaku” – powiedział Will.
Obejmuje to wymiarowość, powiedział współautor i doktorant Weijun Yuan. „Chcielibyśmy wykorzystać BEC w układzie 2D. Kiedy przechodzisz z trzech wymiarów do dwóch, zawsze możesz spodziewać się pojawienia się nowej fizyki” – powiedział. Materiały 2D są głównym obszarem badań na Columbii; posiadanie modelowego systemu wykonanego z molekularnych BEC może pomóc Willowi i jego kolegom z dziedziny materii skondensowanej w badaniu zjawisk kwantowych, w tym nadprzewodnictwa, nadciekłości i innych.
„Wygląda na to, że otwiera się przed nami zupełnie nowy świat możliwości” – powiedział Will.
[ad_2]