У нещодавно опублікованому звіті команда Will Lab з Колумбійського університету повідомляє про успіх у перетині порогу BEC і створенні конденсату Бозе-Ейнштейна (BEC) молекул NaCs при ультрахолодній температурі 5 наноКельвінів (= 5 X 10-9 Кельвін). Молекулярний квантовий конденсат був стабільним із тривалістю життя близько 2 секунд. Це закінчує кілька десятиліть пошуків молекулярного BEC. Це визначне досягнення і віха в науці.
Загальновідомо, що речовина перебуває в одному з трьох станів, а саме: тверда, рідка або газоподібна залежно від зовнішніх умов, таких як температура та тиск. Наприклад, Х2O зустрічається у вигляді льоду, води або пари в звичайних зовнішніх умовах.
Коли температура перевищує 6000–10,000 XNUMX кельвінів, речовина іонізується і перетворюється на плазму, матерію четвертого стану.
Яким буде стан речовини, якщо температура буде наднизькою, близькою до абсолютного нуля?
У 1924-25 роках Сатьєндра Нат Бозе та Альберт Ейнштейн зробили теоретичне передбачення, що якщо бозон частинки (тобто об’єкти з цілим значенням обертання) охолоджуються до наднизької температури поблизу абсолютного нуля, частинки об’єднуватимуться в одну більшу сутність зі спільними властивостями та поведінкою, що регулюється законами квантової механіки. Цей стан, що називається конденсатом Бозе-Ейнштейна (БЕК), вважався п’ятим станом речовини.
| Стани речовини | Температурний діапазон існування |
| Плазма | вище 6000–10,000 XNUMXK |
| Газ | Для води вище 100°C при нормальному атмосферному тиску |
| Рідина | Для води від 4°C до 100°C |
| Solid | Для води нижче 0°C |
| Конденсат Бозе-Ейзенштейна (БЕК) | Близько абсолютного нуля Близько 400 нанокелкінів для атомних бозонів Близько 5 нанокельвінів для молекулярного BCE {1 наноКельвін (нК) = 10 -9 Кельвін} Абсолютний нуль = 0 кельвінів = -273°C |
Теоретичне передбачення бозе-ейнштейнівського конденсату (БЕК), п’ятого стану речовини, стало реальністю майже через сім десятиліть, у 1995 році, коли Ерік Корнелл і Карл Віман створили перший БЕК у газі з атомів рубідію, а незабаром після цього Вольфганг Кеттерле створив БЕК в газі атомів натрію. Тріо разом отримали Нобелівську премію з фізики 2001 року.для досягнення бозе-ейнштейнівської конденсації в розріджених газах лужних атомів і для ранніх фундаментальних досліджень властивостей конденсатів».
Хронологія прогресу в науці про п’ятий агрегатний стан
| Основні етапи |
| 1924-25: Теоретичне передбачення п'ятого стану матерії. Сатьєндра Натх Бозе та Альберт Ейнштейн зробили теоретичне передбачення, згідно з яким група бозонних частинок, охолоджених майже до абсолютного нуля, об’єднається в єдину більшу суперсутність зі спільними властивостями та поведінкою, що визначаються законами квантової механіки. |
| 1995: Відкриття п’ятого агрегатного стану речовини – створено перші атомні BEC. Теоретичне передбачення Бозе та Ейнштейна стає реальністю через 70 років, коли Ерік Корнелл і Карл Віман створили перший БЕК у газі з атомів рубідію, а незабаром після цього Вольфганг Кеттерле створив БЕК у газі з атомів натрію. |
| Молекулярні БХЕ Прагнення до молекулярних BCE, що вимагає ультра-охолодження в наноКельвінах (10-9 Кельвін) діапазон |
| 2008: Дебора Джин і Джун Є охолодив газ молекул калію-рубідію приблизно до 350 наноКельвінів. |
| 2023: Ян Стівенсон та ін створив перший ультрахолодний газ із молекул натрію-цезію (Na-Cs) при температурі 300 наноКельвінів (нК), використовуючи комбінацію лазерного охолодження та магнітних маніпуляцій. |
| 2023: Нікколо Бігальї та ін використовували мікрохвилі, щоб подовжити тривалість життя бозонного газу молекул натрію та цезію з кількох мілісекунд до понад однієї секунди, що є критично важливим першим кроком до їх охолодження. Завдяки довготривалому зразку вони знизили температуру до 36 наноКельвінів — трохи менше, ніж температура, необхідна для утворення молекулами BEC. |
| 2024: Нікколо Бігальї та ін створює BEC молекулярних бозонів (молекул NaCs) при ультрахолодній температурі 5 наноКельвін (нК) |
З моменту відкриття в 1995 році лабораторії по всьому світу та на Міжнародній космічній станції (МКС) регулярно виготовляють атомні BEC з різних типів атомів.
Молекулярний Конденсат Бозе-Ейнштейна (БЕК)
Атоми — це прості круглі утворення без полярних взаємодій. Тому дослідники завжди думали про створення конденсату Бозе-Ейнштейна (БЕК) з молекул. Але створення BEC навіть простих молекул, що складаються з двох атомів різних елементів, було неможливим через відсутність технології охолодження молекул до кількох наноКельвінів (nK), необхідних для утворення молекулярного BEC.
Дослідники з лабораторії Уілла Колумбійського університету постійно працювали над розробкою ультрахолодної технології. У 2008 році їм вдалося охолодити газ, що складається з молекул калію і рубідію, приблизно до 350 наноКельвінів. Це допомогло у виконанні квантового моделювання та у вивченні молекулярних зіткнень і квантової хімії, але не змогло перетнути поріг BEC. Минулого 2023 року вони використовували мікрохвилі, щоб продовжити термін служби бозонного газу з молекул натрію і цезію, і змогли досягти нижчої температури в 36 наноКельвінів, що було ближче до порогу BEC.
У нещодавно опублікованому звіті команда Will Lab з Колумбійського університету повідомляє про успіх у перетині порогу BEC і створенні конденсату Бозе-Ейнштейна (BEC) молекул NaCs при ультрахолодній температурі 5 наноКельвінів (= 5 X 10-9 Кельвін). Молекулярний квантовий конденсат був стабільним із тривалістю життя близько 2 секунд. Це закінчує кілька десятиліть пошуків молекулярного BEC. Це визначне досягнення і віха в науці.
Створення молекулярних конденсатів Бозе-Ейнштейна (BES) матиме довгострокове значення для досліджень у фундаментальній квантовій фізиці, квантовому моделюванні, надтекучості та надпровідності та інноваціях нових технологій, таких як новий тип квантового комп’ютера.
***
Список використаної літератури:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. та ін. Спостереження бозе-ейнштейнівської конденсації диполярних молекул. Природа (2024). 03 червня 2024 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Препринтна версія на arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Колумбійський університет 2024. Новини досліджень – Найхолодніша лабораторія в Нью-Йорку має нову квантову пропозицію. Опубліковано 03 червня 2024 р. Доступно за адресою https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Королівська шведська академія наук. Додаткова інформація про Нобелівську премію з фізики 2001 року – конденсація Бозе-Ейнштейна в лужних газах. Доступний на https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- НАСА. П'ятий стан матерії. Доступний на https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
