Fysikere har fikseret tusinder af molekyler i en kvantetilstand

Forfatteren af ​​en ny undersøgelse offentliggjort iTidsskriftet Nature ser ud til at have været lykkedes at løse et af kvantefysikens vigtigste problemer - de demonstrerede, hvordan man bringer flere molekyler på én gang i en enkelt kvantetilstand. Lad mig minde dig om, at når en gruppe partikler, afkølet til absolut nul, deler en enkelt kvantetilstand, og hele gruppen begynder at opføre sig som om det var et atom, taler fysikere om et Bose-Einstein-kondensat. Denne tilstand er bestemt vanskelig at opnå, men når det sker, åbner en hel verden af ​​nye muligheder sig. Forskere har gjort dette med atomer i årtier, men hvis de havde gjort det samme med molekyler, ville vi i dag sandsynligvis have forskellige former for kvanteteknologi. Men da molekyler er større end atomer og har mange flere bevægelige dele, har de fleste forsøg på at bremse dem mislykkedes. Dette var imidlertid tilfældet indtil slutningen af ​​april i år - i løbet af en ny undersøgelse afkølede et team af fysikere cæsiumatomer og begrænsede derefter molekylerne, så de var på en todimensionel overflade og kun kunne bevæge sig i to retninger. Resultatet er et sæt næsten identiske molekyler i en enkelt kvantetilstand.

Wow! Her er en bosonisk analog af overgangen fra et Bose-Einstein-kondensat til en Bardeen-Cooper-Schrieffer superfluidvæske i en Fermi-gas.

Hvad er Bose-Einstein kondensat

Som det er kendt, både konvolution ogsuperledningsevne er resultatet af ændringer i opførsel af klynger af kvantepartikler ved lave temperaturer. Fænomenet forbundet med dette involverer oprettelsen af ​​en helt ny tilstand af stof. Ud over de tre kendte tilstande af stof - væsker, gasser og faste stoffer, er der en fjerde plasma. Det sker, når en gas opvarmes til temperaturer, hvor atomer mister elektroner og bliver til ladede ioner. Ioner dannes ofte i kemiske reaktioner, såsom dem, hvor salt (natriumchlorid) opløses i vand, der producerer natrium- og klorioner, eller dem der opvarmes en gas.

Det er også interessant, at plasma er det mest almindelige stof i universet da det hovedsageligt består af stjerner,som udgør størstedelen af ​​galakser (eksklusive mørkt stof). Vi støder også på plasma i hverdagen - når vi ser på flammer eller på typer af fladskærms-tv. Men i den kolde ende af temperaturskalaen er der femte tilstand af sagen - Bose-Einstein kondensat.

Standardmodel for partikelfysikdeler partikler i to grupper, der ikke overholder udelukkelsesprincippet: fermioner (elektroner og kvarker) og bosoner (fotoner). Bosoner interagerer normalt ikke med hinanden, og mange af dem kan eksistere sammen i samme kvantetilstand.

Bose-Einstein-kondens dannes, når en gas afkøles til næsten absolut nul.

Bose-Einstein kondensat indeholder et stort antal partiklerforbundet med hinanden på en sådan måde, at denne forbindelse giver dem mulighed for at opføre sig som et stort boson og give materie så usædvanlige egenskaber som evnen til at fange lys. Navnet "Bose-Einstein" refererer til den model, der bruges til at beskrive den kollektive opførsel af partikler - "Bose-Einstein" -statistikker - en af ​​to muligheder for, hvordan kvantepartikler kan opføre sig. En anden mulighed er Fermi-Dirac-statistikken.

Interesseret i fysik og højteknologiske nyheder? Abonner på vores nyhedskanal i Telegram for ikke at gå glip af noget interessant!

Hvordan fikseres molekyler i en kvantetilstand?

I en ny undersøgelse offentliggjort ii Nature den 28. april afkølede et team af forskere fra University of Chicago cæsiumatomer til næsten absolut nul - i denne tilstand er hvert atom stationært, og alle elektroner er på et lavere niveau; teoretisk set sker dette ved -273,15 grader Celsius (0 grader Kelvin). Dette skete i flere faser.

Den første var at afkøle hele systemet ned til 10nanokelvin - et hår over absolut nul. Derefter pakket de molekylerne i et krybende rum, så de blev presset fladt. ”Molekyler vil typisk bevæge sig i alle retninger, og hvis du tillader dem, bliver de mindre stabile. Vi begrænsede molekylerne, så de var på en todimensionel overflade og kun kunne bevæge sig i to retninger, ”skriver studieforfatterne.

Se også: Hvorfor er kvantefysik beslægtet med magi?

Prof.Chen Chin i et laboratorium ved University of Chicago. Hans laboratorium har annonceret et gennembrud i at bringe flere molekyler i en kvantetilstand. Dette er et af de vigtigste mål inden for kvantefysik.

Resultatet er et sæt af praktiskidentiske molekyler - opstillet med nøjagtig samme retning, samme vibrationsfrekvens og i samme kvantetilstand. Forskere har beskrevet dette molekylære kondensat som et blankt ark nyt tegnepapir til kvanteteknik.

”Dette er et absolut perfekt udgangspunkt.For eksempel, hvis du ønsker at opbygge kvantesystemer til lagring af information, skal du starte fra bunden, før du kan formatere og gemme disse oplysninger, ”fortalte lederundersøgelsesforfatter Chen Chin fra University of Chicago til Sciencealert.

Det er bemærkelsesværdigt, at forskere indtil nu har været i stand til detforbinde op til flere tusinde molekyler i denne tilstand, og de er lige begyndt at undersøge dets potentiale. Som forfatterne af det videnskabelige arbejde forklarer, i den traditionelle forståelse af kemi, tror vi normalt, at flere atomer og molekyler kolliderer og danner et nyt molekyle. Men i kvantetilstand fungerer alle molekyler sammen for at udvise kollektiv adfærd. Dette åbner en helt ny måde at studere, hvordan molekyler kan interagere med hinanden for at blive en ny type molekyle.

Du vil undre dig over: Er verden virkelig på randen af ​​at opdage en "ny fysik"?

Resultaterne af arbejdet, som forfatterne håber, ifremtiden kan danne grundlaget for former for kvanteteknologi. Blandt andet på grund af deres rige energiske struktur kan kolde molekyler hjælpe fremskridt inden for kvanteteknik og kvantekemi. Generelt set på trods af alle bevis for, at vi i den nærmeste fremtid forventer mange fantastiske opdagelser.