У недавно објављеном извештају, тим Вилл Лаб са Универзитета Колумбија извештава о успеху у преласку БЕЦ прага и стварању Босе-Еиенстеин кондензата (БЕЦ) молекула НаЦс на ултрахладној температури од 5 нано Келвина (= 5 Кс 10-9 Келвин). Молекуларни квантни кондензат је био стабилан са животним веком од око 2 секунде. Овим се завршава вишедеценијска потрага за молекуларним БЕЦ. Ово је изузетно достигнуће и прекретница у науци.
Опште је познато да би материја била у једном од три стања, тј. чврсти, течни или гасовити у зависности од спољашњих услова као што су температура и притисак. На пример, Х2О се налази као лед, вода или пара у обичним спољашњим условима.
Када је температура изнад 6000–10,000 XNUMX Келвина, материја се јонизује и претвара у плазму, материју четвртог стања.
Какво би било стање материје ако је температура ултра-ниска близу апсолутне нуле?
У 1924-25, Сатиендра Натх Босе и Алберт Аинстеин направили су теоријско предвиђање да ако бозон честице (тј. ентитети са целобројном спин вредношћу) се охладе на ултра-ниску температуру близу апсолутне нуле, честице би се спојиле у један, већи ентитет са заједничким својствима и понашањима регулисаним законима квантне механике. Названо Босе-Ајнштајнов кондензат (БЕЦ), сматрало се да је ово стање пето стање материје.
| стања материје | Температурни опсег постојања |
| Плазма | изнад 6000–10,000 XNUMXК |
| Гас | За воду, изнад 100°Ц при нормалном атмосферском притиску |
| Течност | За воду, између 4°Ц и 100°Ц |
| Солидан | За воду, испод, 0°Ц |
| Босе-Еисенстеин кондензат (БЕЦ) | Близу апсолутне нуле Око 400 наноКелкина за атомске бозоне Око 5 нанокелвина за молекуларни БЦЕ {1 нанокелвин (нК) = 10 -КСНУМКС Келвин} Апсолутна нула = 0 келвина = -273°Ц |
Теоријско предвиђање Босе-Ајнштајн кондензата (БЕЦ), петог стања материје постало је стварност скоро седам деценија касније 1995. године када су Ерик Корнел и Карл Виман створили први БЕЦ у гасу атома рубидијума, а убрзо након тога, Волфганг Кетерле је произвео а БЕЦ у гасу атома натријума. Трио је заједно добио Нобелову награду за физику 2001.за постизање Бозе-Ајнштајнове кондензације у разблаженим гасовима алкалних атома и за ране фундаменталне студије особина кондензата".
Временски оквир напретка у науци о петом стању материје
| прекретнице |
| 1924-25: Теоријско предвиђање петог стања материје. Сатиендра Натх Босе и Алберт Аинстеин су теоријски предвидјели да ће се група бозонских честица охлађених на скоро апсолутну нулу спојити у један, већи супер-ентитет са заједничким својствима и понашањем које диктирају закони квантне механике. |
| 1995: Откриће петог стања материје – створени су први атомски БЕЦ. Теоријско предвиђање Босеа и Ајнштајна постаје стварност након 70 година када су Ерик Корнел и Карл Виман створили први БЕЦ у гасу од атома рубидијума, а убрзо након тога, Волфганг Кетерле је произвео БЕЦ у гасу атома натријума. |
| Молецулар БЦЕс Потрага за молекуларним БЦЕс која захтева ултра-хлађење у наноКелвину (10-9 Келвин) домет |
| КСНУМКС: Деборах Јин и Јун Ие охладио гас молекула калијум-рубидијума до око 350 нанокелвина. |
| КСНУМКС: Иан Стевенсон сар створио први ултрахладни гас молекула натријум-цезијум (На-Цс) на температури од 300 нанокелвина (нК) користећи комбинацију ласерског хлађења и магнетних манипулација. |
| 2023: Ниццоло Бигагли сар користио микроталасне пећнице да продужи животни век бозонског гаса молекула натријум-цезијум са неколико милисекунди на више од једне секунде, што је критичан први корак у њиховом хлађењу. Са својим дуготрајнијим узорком, спустили су температуру на 36 нано Келвина - само мање од температуре потребне да молекули формирају БЕЦ. |
| КСНУМКС: Ниццоло Бигагли сар ствара БЕЦ молекуларних бозона (молекула НаЦс) на ултрахладној температури од 5 нанокелвина (нК) |
Од открића 1995. године, лабораторије широм света и на Међународној свемирској станици (ИСС) рутински праве атомске БЕЦ од различитих врста атома.
Молекуларан Босе-Ајнштајн кондензат (БЕЦ)
Атоми су једноставни, нека врста округлих ентитета без поларних интеракција. Стога су истраживачи одувек размишљали о стварању Босе-Еинстеин кондензата (БЕЦ) од молекула. Али, стварање БЕЦ-а чак и једноставних молекула направљених од два атома различитих елемената није било могуће због недостатка технологије за хлађење молекула на неколико нанокелвина (нК) неопходних за формирање молекуларног БЕЦ-а.
Истраживачи у Вилл Лаб са Универзитета Колумбија доследно су радили на развоју ултрахладне технологије. Године 2008. успели су да охладе гас молекула калијум-рубидијума на око 350 нанокелвина. Помогао је у извођењу квантних симулација и у проучавању молекуларних судара и квантне хемије, али није могао да пређе БЕЦ праг. Прошле године, 2023., користили су микроталасне пећнице да продуже животни век бозонског гаса молекула натријум-цезијум и успели су да постигну нижу температуру од 36 нанокелвина, што је било ближе БЕЦ прагу.
У недавно објављеном извештају, тим Вилл Лаб са Универзитета Колумбија извештава о успеху у преласку БЕЦ прага и стварању Босе-Еиенстеин кондензата (БЕЦ) молекула НаЦс на ултрахладној температури од 5 нано Келвина (= 5 Кс 10-9 Келвин). Молекуларни квантни кондензат је био стабилан са животним веком од око 2 секунде. Овим се завршава вишедеценијска потрага за молекуларним БЕЦ. Ово је изузетно достигнуће и прекретница у науци.
Стварање молекуларних Босе-Ајнштајн кондензата (БЕС) имало би дугорочну важност за истраживање фундаменталне квантне физике, квантних симулација, суперфлуидности и суперпроводљивости и иновације нових технологија као што је нови тип квантног рачунара.
***
Референце:
- Бигагли, Н., Иуан, В., Зханг, С. ет ал. Посматрање Босе–Ајнштајнове кондензације диполарних молекула. Природа (2024). 03. јун 2024. ДОИ: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Препринт верзија на арКсив https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Универзитет Колумбија 2024. Истраживачке вести – Најхладнија лабораторија у Њујорку има нову квантну понуду. Објављено 03. јуна 2024. Доступно на https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Краљевска шведска академија наука. Напредне информације о Нобеловој награди за физику 2001 – Босе-Ајнштајнова кондензација у алкалним гасовима. Доступно на https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- НАСА. Пето стање материје. Доступно на https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
