Фізики зафіксували тисячі молекул в одному квантовому стані

Автором нового дослідження, опубліковане вжурналі Nature, схоже вдалося вирішити одну з найважливіших завдань квантової фізики - вони продемонстрували як навести кілька молекул відразу в єдине квантовий стан. Нагадаю, що коли група частинок, охолоджених до абсолютного нуля, розділяє єдине квантовий стан і вся група починає поводитися так, як якщо б це був один атом, фізики говорять про конденсаті Бозе-Ейнштейна. Цього стану, безумовно, досягти важко, але коли це відбувається, відкривається цілий світ нових можливостей. Вчені робили це з атомами протягом десятиліть, але виконай вони те ж саме з молекулами, сьогодні ми, ймовірно, мали б різними формами квантових технологій. Але оскільки молекули більше атомів і мають набагато більше рухомих частин, більшість спроб приборкати їх не увінчалися успіхом. Втім, так було до кінця квітня цього року - в ході нового дослідження команда фізиків охолодила атоми цезію, а потім обмежила молекули таким чином, щоб вони знаходилися на двовимірної поверхні і могли рухатися тільки в двох напрямках. В результаті вийшов набір практично ідентичних молекул в єдиному квантовому стані.

Ух! Переду вами бозона аналог переходу від конденсату Бозе-Ейнштейна до надплинності Бардіна-Купера-Шриффера в газі Фермі.

Що таке конденсат Бозе-Ейнштейна

Як відомо, і свертекучесть, інадпровідність - це результати зміни в поведінці скупчень квантових частинок при низьких температурах. Явище, пов'язане з цим, включає в себе створення абсолютно нового стану речовини. Крім трьох відомих станів речовини - рідин, газів і твердих тіл існує четверте - плазма. Вона виникає при нагріванні газу до температур, при яких атоми втрачають електрони і перетворюються в заряджені іони. Іони часто утворюються в хімічних реакціях, наприклад, у тій, де сіль (хлорид натрію) розчиняється в воді, виробляючи іони натрію і хлору, або в тих, при яких нагрівається газ.

Цікаво й те, що плазма є найбільш часто зустрічається речовиною у Всесвіті оскільки в основному з неї складаються зірки,які складають основну масу галактик (не рахуючи темної матерії). З плазмою ми стикаємося і в звичайному житті - коли дивимося на полум'я або на типи телевізорів з плоским екраном. Але на холодному кінці шкали температур є п'ятий стан речовини - конденсат Бозе-Ейнштейна.

Стандартна модель фізики елементарних частинокрозділяє частки на дві групи, які не підкоряються принципу заборони: ферміони (електрони і кварки) і бозони (фотони). Бозони зазвичай один з одним не взаємодіють і багато з них можуть співіснувати в одному квантовому стані.

Конденсат Бозе-Ейнштейна утворюється, якщо охолодити газ до майже абсолютного нуля.

У конденсаті Бозе-Ейнштейна величезне число частокпов'язані один з одним таким чином, що цей зв'язок дозволяє їм вести себе подібно одному великому бозон, наділяючи речовина такими незвичайними властивостями, як здатність захоплювати світло. Назва «бозе-ейнштейнівської» відсилає до моделі, яка використовується для опису колективної поведінки частинок - «бозе-ейнштейнівської» статистикою - одним з двох варіантів того, як можуть поводитися квантові частинки. Інший варіант - це статистика Фермі-Дірака.

Цікавитесь фізикою і новинами зі світу високих технологій? Підписуйтесь на наш новинний канал в Telegram щоб не пропустити нічого цікавого!

Як зафіксувати молекули в одному квантовому стані?

В ході нового дослідження, опублікованого вжурналі Nature 28 квітня, команда вчених із Чиказького університету охолодила атоми цезію майже до абсолютного нуля - в цьому стані кожен атом стационарен, а всі електрони перебувають на нижньому рівні; теоретично це відбувається при -273,15 градусах за Цельсієм (0 градусів за шкалою Кельвіна). Це відбувалося в кілька етапів.

Першим було охолодження всієї системи до 10нанокельвінов - на волосок вище абсолютного нуля. Потім вони упакували молекули в повзуче простір так, щоб ті були притиснуті плазом. «Як правило, молекули хочуть рухатися у всіх напрямках, і якщо дозволити їм це, то вони стають менш стабільні. Ми обмежили молекули таким чином, щоб вони знаходилися на двовимірної поверхні і могли рухатися тільки в двох напрямках », - пишуть автори дослідження.

Читайте також: Чому квантова фізика те саме магії?

Проф.Чен Чін в лабораторії в університеті Чикаго. Його лабораторія оголосила про прорив в приведенні декількох молекул в одне квантовий стан. Це - одна з найважливіших цілей в квантовій фізиці.

В результаті вийшов набір практичноідентичних молекул - збудованих в лінію з абсолютно однаковою орієнтацією, однаковою частотою коливань і в одному і тому ж квантовому стані. Вчені описали цей молекулярний конденсат як чистий аркуш нової креслярського паперу для квантової інженерії.

«Це абсолютно ідеальна відправна точка.Наприклад, якщо ви хочете створити квантові системи для зберігання інформації, вам потрібно почати з чистого аркуша, перш ніж ви зможете відформатувати і зберегти цю інформацію », - зазначив провідний автор дослідження Чен Чин із Чиказького університету в інтерв'ю виданню Sciencealert.

Примітно, що до сих пір вченим вдавалосязв'язати разом до кількох тисяч молекул в такому стані і вони тільки починають досліджувати його потенціал. Як пояснюють автори наукової роботи, в традиційному розумінні хімії ми зазвичай думаємо про те, що кілька атомів і молекул стикаються і утворюють нову молекулу. Але в квантовому стані все молекули діють разом, виявляючи колективна поведінка. Це відкриває абсолютно новий спосіб вивчення того, як молекули можуть взаємодіяти один з одним, щоб перетворитися в молекули нового типу.

Вам буде цікаво: Чи дійсно світ стоїть на порозі відкриття «нової фізики»?

Результати роботи, як сподіваються її автори, вмайбутньому можуть лягти в основу форм квантових технологій. Крім іншого, завдяки своїй багатій енергетичній структурі холодні молекули можуть сприяти прогресу в квантової інженерії та квантової хімії. Загалом, на обличчя всі свідчення того, що незабаром нас очікуємо багато дивовижних відкриттів.