Конденсат бозе эйнштейна доклад
Обновлено: 18.05.2024
Автором нового исследования, опубликованное в журнале Nature, похоже удалось решить одну из самых важных задач квантовой физики – они продемонстрировали как привести несколько молекул сразу в единое квантовое состояние. Напомню, что когда группа частиц, охлажденных до абсолютного нуля, разделяет единое квантовое состояние и вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом, физики говорят о конденсате Бозе-Эйнштейна. Этого состояния, безусловно, достичь трудно, но когда это происходит, открывается целый мир новых возможностей. Ученые проделывали это с атомами на протяжении десятилетий, но проделай они то же самое с молекулами, сегодня мы, вероятно, обладали бы разными формами квантовых технологий. Но поскольку молекулы больше атомов и имеют гораздо больше движущихся частей, большинство попыток обуздать их не увенчались успехом. Впрочем, так было до конца апреля этого года – в ходе нового исследования команда физиков охладила атомы цезия, а затем ограничила молекулы таким образом, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях. В результате получился набор практически идентичных молекул в едином квантовом состоянии.
Ух! Переда вами бозонный аналог перехода от конденсата Бозе-Эйнштейна к сверхтекучей жидкости Бардина-Купера-Шриффера в газе Ферми.
Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна
Как известно, и свертекучесть, и сверхпроводимость – это результаты изменения в поведении скоплений квантовых частиц при низких температурах. Явление, связанное с этим, включает в себя создание совершенно нового состояния вещества. Помимо трех известных состояний вещества – жидкостей, газов и твердых тел существует четвертое – плазма. Она возникает при нагревании газа до температур, при которых атомы теряют электроны и превращаются в заряженные ионы. Ионы часто образуются в химических реакциях, например в той, где соль (хлорид натрия) растворяется в воде, производя ионы натрия и хлора, или в тех, при которых нагревается газ.
Интересно и то, что плазма является наиболее часто встречающимся веществом во Вселенной поскольку в основном из нее состоят звезды, которые составляют основную массу галактик (не считая темной материи). С плазмой мы сталкиваемся и в обычной жизни – когда смотрим на пламя или на типы телевизоров с плоским экраном. Но на холодном конце шкалы температур имеется пятое состояние вещества – конденсат Бозе-Эйнштейна.
Стандартная модель физики элементарных частиц разделяет частицы на две группы, которые не подчиняются принципу запрета: фермионы (электроны и кварки) и бозоны (фотоны). Бозоны обычно друг с другом не взаимодействуют и многие из них могут сосуществовать в одном квантовом состоянии.
Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется, если охладить газ до почти абсолютного нуля.
Интересуетесь физикой и новостями из мира высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Как зафиксировать молекулы в одном квантовом состоянии?
В ходе нового исследования, опубликованного в журнале Nature 28 апреля, команда ученых из Чикагского университета охладила атомы цезия почти до абсолютного нуля – в этом состоянии каждый атом стационарен, а все электроны находятся на нижнем уровне; теоретически это происходит при -273,15 градусах по Цельсию (0 градусов по шкале Кельвина). Это происходило в несколько этапов.
Проф. Чен Чин в лаборатории в Чикагском университете. Его лаборатория объявила о прорыве в приведении нескольких молекул в одно квантовое состояние. Это – одна из самых важных целей в квантовой физике.
В результате получился набор практически идентичных молекул — выстроенных в линию с абсолютно одинаковой ориентацией, одинаковой частотой колебаний и в одном и том же квантовом состоянии. Ученые описали этот молекулярный конденсат как чистый лист новой чертежной бумаги для квантовой инженерии.
Примечательно, что до сих пор ученым удавалось связать вместе до нескольких тысяч молекул в таком состоянии и они только начинают исследовать его потенциал. Как объясняют авторы научной работы, в традиционном понимании химии мы обычно думаем о том, что несколько атомов и молекул сталкиваются и образуют новую молекулу. Но в квантовом состоянии все молекулы действуют вместе, проявляя коллективное поведение. Это открывает совершенно новый способ изучения того, как молекулы могут взаимодействовать друг с другом, чтобы превратиться в молекулы нового типа.
Результаты работы, как надеются ее авторы, в будущем могут лечь в основу форм квантовых технологий. Помимо прочего, благодаря своей богатой энергетической структуре холодные молекулы могут способствовать прогрессу в квантовой инженерии и квантовой химии. В общем, на лицо все свидетельства того, что в скором времени нас ожидаем много удивительных открытий.
Квантовые эффекты работают не только на субатомном уровне: они могут оказаться распростёртыми через всю галактику и решить загадку тёмной материи
Большая часть материи Вселенной невидима, состоит из некоего вещества, не оставляющего никаких следов в процессе прохождения сквозь нас, и сквозь все детекторы, построенные учёными с целью поймать её. Но эта тёмная материя может и не состоять из невидимых облаков частиц, как предполагает большинство теоретиков. Вместо этого она может оказаться чем-то ещё более странным: сверхтекучей жидкостью, сконденсировавшейся в лужицы миллиарды лет назад, и породившей наблюдаемые нами сегодня галактики.
Это новое предположение имеет далеко идущие последствия для космологии и физики. Сверхтекучая тёмная материя (СТМ) решает множество теоретических проблем, связанных с облаками частиц. Она объясняет тянущиеся раздражающе долго неудачные попытки определить отдельные составляющие этих облаков. Также оно предлагает чёткий научный путь дальнейших поисков и выдаёт определённые предсказания, которые скоро уже можно будет проверить.
У СТМ есть и важные концептуальные последствия. Из этой идеи следует, что общепринятое представление о Вселенной как о массе отдельных частиц, связанных при помощи неких сил — будто бы детский конструктор — упускает всё богатство природы. Большая часть материи во Вселенной может быть совершенно не такой, как материя, из которой состоит ваше тело: она может состоять не из атомов и даже не из таких частиц, какие мы обычно себе представляем, а быть когерентным целым огромной протяжённости.
На менее крупных масштабах эта популярная и широко применяющаяся модель предсказывает, что в галактических центрах должно собираться больше материала, чем видно астрономам — эта особенность известна, как "проблема перегиба" [cusp problem]. Также эта модель предсказывает слишком много галактик-спутников для Млечного Пути, и не может объяснить, почему те спутники, что у нас реально есть, располагаются почти в одной плоскости. И, наконец, ТМ без столкновений ничего не говорит о том, почему яркость спиральных галактик соответствует их скорости вращения. Эта простая модель, судя по всему, слишком проста.
Одним из возможных объяснений таких недостатков может быть то, что физики пропустили один важный астрофизический процесс, участвующий в формировании галактики. Но Коури так не считает. С его точки зрения эта проблема говорит о чём-то более глубоком. Дело не только в том, что модель холодной ТМ без столкновений с трудом соответствует некоторым данным, но ещё и в том, что совершенно другая модель гораздо лучше соответствует тем самым наблюдениям, с которыми у стандартной модели есть проблемы. Вместо того, чтобы изобретать новые, неоткрытые частицы, другая модель предлагает модифицировать гравитацию для соответствия ТМ. Поведение гравитации на расстояниях в тысячи и миллионы световых лет измерить напрямую нельзя. Небольшие эффекты, которые невозможно обнаружить на Земле, могут играть достаточно большую роль на масштабе целой галактики.
Модификация гравитации (МГ) оказывается удивительно успешной в некоторых случаях и испытывает проблемы в других. С одной стороны, она удивительно легко соответствует вращению галактик и объясняет, откуда берётся зависимость яркости и скорости вращения. МГ не позволяет появляться такому разнообразию параметров от галактике к галактике, какое возникает при использовании облаков из частиц — последние могут быть совершенно разными. С другой стороны, МГ с трудом справляется с данными наблюдений за расстояниями гораздо большими или меньшими, чем размер типичной галактики. На этих масштабах лучше работает модель холодной ТМ.
Печальной известностью пользуется тот факт, что изменить что-либо в эйнштейновской теории гравитации, без того, чтобы её полностью не сломать, чрезвычайно трудно. Поэтому большинство физиков выбирают более безопасную альтернативу в виде ТМ, состоящей из частиц. Для них появление новых частиц — проторённый путь решения проблем, и связанная с этим математика является знакомой территорией. Но Коури не хочет примыкать к какой-либо из этих сторон. Он хочет взять лучшее у обоих, так, чтобы лучше всего соответствовать реальной Вселенной.
Физики могли бы отбросить этот случай как странное отклонение. Но оказалось, что это наблюдение является больше правилом, чем исключением, когда американский астроном Вера Рубин с 1960-х годов изучала вращение спиральных галактик. Скорость звёзд на орбитах далеко от центра галактики зависит от общей массы (и, следовательно, гравитационного притяжения) связной системы — в данном случае, от массы галактики. Измерения Рубин показали, что десятки галактик вращались быстрее, чем можно было бы предположить, исходя только из видимой материи. С тех пор, как наблюдения Рубин вывели ТМ под свет прожекторов, она попала в список самых популярных нерешённых проблем физики.
Технологии телескопов стабильно улучшались, и свидетельства в пользу ТМ, полученные из наблюдений, постепенно накапливались и уточнялись. Теперь физики могут наблюдать небольшие искажения, происходящие из-за гравитационного искривления пространства-времени рядом с галактическими скоплениями. Это искажение, известные, как слабое гравитационное линзирование, немного деформирует вид более удалённых звёздных объектов; идущий от них свет искривляется вокруг кластера, чьё притяжение действует, как линза. По силе этого эффекта общую можно рассчитать массу скопления и продемонстрировать присутствие ТМ. С помощью этого метода физики уже даже построили карты распространения ТМ. Сопоставив их с другими методами доказательства, они определили, что 85% материи Вселенной должно относиться к ТМ.
Используя ещё больше данных, физики также смогли исключить идею того, что ТМ состоит из невидимых комков обычных атомов, таких, из которых состоит Земля (технически они называются барионной материей). Эта, нормальная материя, слишком сильно взаимодействует сама с собой; она не давала бы наблюдаемое распределение ТМ. ТМ также не может состоять из звёзд, схлопнувшихся в чёрные дыры или других тусклых астрономических объектов. Если бы это было так, этим объектам пришлось бы сильно превосходить по количеству звёзды в нашей галактике, что привело бы к значительным и легко наблюдаемым гравитационным искажениям. Также ТМ не может состоять и из других известных частиц, таких, как слабо взаимодействующие нейтрино, в большом количестве испускаемые звёздами. Нейтрино не комкуются достаточно сильно для того, чтобы создать наблюдаемые галактические структуры.
Получается, что для того, чтобы объяснить, из чего состоит ТМ, физикам приходится строить теории о новых, пока не обнаруженных частицах. Чаще всего используются те из них, что попадают в два широких класса: слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) и гораздо более лёгкие аксионы, хотя недостатка в более сложных гипотезах, комбинирующих различные типы частиц, также не наблюдается. Но все попытки обнаружить эти частицы напрямую, а не просто выводить их присутствие из гравитационного притяжения, пока остаются неудачными. Вместо решения загадки эксперименты по их прямому обнаружению только углубили её.
Сверхтекучие жидкости не существуют в повседневной жизни, но физикам они хорошо знакомы. Они походят на сверхпроводники — класс материалов, в которых электричество движется без сопротивления. При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нуля, гелий тоже начинает течь без сопротивления. Он просачивается сквозь мельчайшие поры, и даже вытекает из поддонов, двигаясь вверх по стенкам. Такое супертекучее поведение характерно не только для гелия; это фаза состояния вещества, в которую при достаточно низких температурах могут переходить и другие частицы. Этот класс ультрахолодных жидкостей, впервые предсказанный в 1924 году Эйнштейном и индийским физиком Шатьендранатом Бозе, сегодня известен, как конденсат Бозе-Эйнштейна. Либерати понял, что ТМ тоже может переходить в сверхтекучее состояние.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна лучше всего изучать в виде смеси двух компонентов: сверхтекучей жидкости и обычной. Два этих компонента ведут себя по-разному. Сверхтекучий демонстрирует квантовые эффекты на больших расстояниях, у него нет вязкости и проявляются неожиданные корреляции на больших масштабах; он ведёт себя так, будто состоит из гораздо более крупных частиц, чем на самом деле. Другой, нормальный компонент, ведёт себя, как привычные нам жидкости; прилипает к контейнерам и к самому себе — то есть, обладает вязкостью. Соотношение между двумя компонентами зависит от температуры конденсата: чем выше температура, тем большее влияние оказывает нормальный компонент.
Мы привыкли думать, что квантовая физика преобладает лишь в области микроскопического. Но чем больше физики узнавали о квантовой теории, тем яснее становилось, что это не так. Конденсаты Бозе-Эйнштейна — одни из наилучшим образом изученных веществ, позволяющих квантовым эффектам распространяться в среде. В теории квантовое поведение может распространяться на произвольно большие расстояния, если его возмущения будут достаточно слабыми.
В такой тёплой и шумной среде, как Земля, хрупкие квантовые эффекты быстро уничтожаются. Поэтому мы обычно не сталкиваемся с такими странными аспектами квантовой физики, как возможность частиц вести себя, как волны. Но если вызвать квантовое поведение в холодном и спокойном месте, оно будет сохраняться. В таком холодном, спокойном месте, как, например, внешний космос. Там квантовые эффекты способны простираться на огромные расстояния.
Если бы ТМ была конденсатом Бозе-Эйнштейна — таким, у которого квантовый эффект распространяется на всю галактику — это состояние естественным образом объяснило бы две разные модели поведения ТМ. Внутри галактик большая часть ТМ находилась бы в сверхтекучей фазе. На протяжении галактических скоплений с большой долей межгалактического пространства, большая часть ТМ находилась бы в нормальной фазе, что вызывало бы иное поведение. Согласно Коури и коллегам, возможно объяснить наблюдаемые эффекты ТМ при помощи простой модели конденсата Бозе-Эйнштейна, обладающей всего несколькими открытыми параметрами (свойствами, у которых должны быть правильные значения для того, чтобы модель заработала).
Идея о том, что ТМ может быть конденсатом Бозе-Эйнштейна, давно вращается в астрофизическом сообществе, но новая версия имеет свои отличия. Новая идея Коури так убедительна потому, что он говорит, что сверхтекучая ТМ может имитировать МГ: она достигает цели, комбинируя лучшее из обеих моделей. Оказывается, что гравитацию не нужно модифицировать для того, чтобы получить результаты, наблюдаемые в теориях МГ. Когерентная сверхтекучая жидкость может привести к появлению тех же самых уравнений и того же самого поведения. Таким образом модель Коури комбинирует преимущества как холодной ТМ, так и МГ, без недостатков обеих теорий.
Сверхтекучая ТМ может преодолеть крупнейшую из проблем МГ: нелюбовь к ней большинства астрофизиков. Многие из этих исследователей пришли из физики частиц, и уравнения МГ кажутся им непривычными. Для специалиста по физике частиц эти уравнения выглядят непривлекательно и неестественно. Они кажутся подогнанными под результат. Но сверхтекучая ТМ предлагает другой, возможно, более естественный подход к уравнениям.
Согласно Коури, уравнения для сверхтекучей ТМ не относятся к области элементарной физики частиц. Они появляются из физики конденсированных состояний, где описывают не фундаментальные частицы, а появляющееся на их основе дальнодействующее поведение. В модели Коури уравнения, появляющиеся в МГ, не описывают отдельные частицы. Они описывают совместное поведение частиц. Такие уравнения незнакомы многим специалистам по физике частиц, поэтому взаимоотношение между сверхтекучестью и МГ так долго оставалось незамеченным. Но, в отличие от уравнений МГ, уравнения, описывающие сверхтекучие жидкости, уже обладают сильным теоретическим фундаментом — только в физике конденсированных состояний.
Сверхтекучесть выдаёт схему притяжения идентичную уравнениям МГ, поэтому она может отвечать за наблюдаемую регулярность кривых вращения галактик. Однако, в отличие от МГ, она ведёт себя только при таких температурах, при которых преобладает сверхтекучая компонента. На более крупных масштабах галактических скоплений ТМ получается слишком возбуждённой (то есть, слишком горячей) и теряет сверхтекучие свойства. Таким способом сверхтекучая ТМ могла дать начало формированию видимых галактик, и одновременно, в фазе, отличной от сверхтекучести, соответствовала бы наблюдаемой структуре скоплений.
Наконец, модель сверхтекучей жидкость объясняет, почему физики не могут найти частицы ТМ. С 1980-х десятки различных экспериментов ищут прямое свидетельство существования таких частиц. Эти эксперименты обычно используют крупные экранированные цистерны с различными материалами, которые в редких случаях могут взаимодействовать с частицами ТМ и выдавать наблюдаемый сигнал. Несмотря на широкое разнообразие техник и материалов, на использование тщательно изолированных детекторов, запрятанных в подземных шахтах для фильтрации ложных сигналов, не было найдено никаких убедительных свидетельств существования ТМ.
Если ТМ — это сверхтекучая жидкость, то частицы, из которых она состоит, должны быть лёгкими, гораздо легче, чем гипотетические частицы ТМ, которые ищут большинство экспериментов. Составляющие сверхтекучей жидкости, вероятно, слишком легки для того, чтобы их можно было обнаружить в текущих экспериментах.
Улучшенное и уникальное предсказание модели Коури состоит в том, что сверхтекучее квантовое поведение должно оставлять характерный след в столкновениях галактик. Когда конденсат ТМ одной галактики сталкивается с конденсатом другой, в результате должны появляться рисунки интерференции — рябь в распределении материи и гравитации, которая будет влиять на поведение галактик. Сверхтекучая ТМ также делает предсказания о трении между компонентами ТМ в скоплениях галактик; такое трение опять-таки даст определённый рисунок гравитационного притяжения. Наблюдения за гравитационным линзированием могут обнаружить эти признаки наличия сверхтекучей ТМ, если точно знать, что надо искать.
Для численной оценки предсказаний необходимо проводить компьютерные симуляции. Коури сейчас работает именно над таким проектом совместно с исследователями из Оксфордского университета. Симуляции также должны показать, согласуется ли ожидаемое количество галактик-спутников лучше с теорией сверхтекучей ТМ, чем с предсказаниями существующих моделей.
Со школьной скамьи мы знаем, что существует четыре агрегатных состояния вещества: газ, жидкость, твердое тело и плазма. Однако есть и другие агрегатные состояния, свойства которых кардинально отличаются от всех известных веществ. Одно из них — конденсат Бозе-Эйнштейна.
Газ, жидкость и твердые вещества мы видим постоянно, они окружают нас. Получить плазму тоже не составляет труда — этим агрегатным состоянием пользуются, например, для сварки металлических конструкций. Но вот получить конденсат Бозе-Эйнштейна отнюдь не просто.
Это состояние было предсказано Альбертом Эйнштейном еще в 1925 году, однако получить его на практике удалось только спустя 70 лет. Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой скопление особого рода элементарных частиц — бозонов, — охлажденных до сверхнизких температур. К этому виду частиц относят, например, фотон и ставший известным в последнее время бозон Хиггса.
Бозонами также могут являться ядра атомов. Именно их и использовали для получения первого конденсата Бозе-Эйнштейна. При охлаждении одинаковых ядер атомов до температур, близких к абсолютному нулю, они начинают терять энергию. У каждого ядра атома есть свои энергетические уровни и по мере охлаждения он опускается до самого нижнего возможного состояния. Когда все ядра в системе окажутся в состоянии с минимальным количеством энергии, образуется новая фаза вещества — конденсат Бозе-Эйнштейна.
С помощью этого агрегатного состояния ученые могут буквально замедлять свет. В 2000 году физики сообщили о том, что смогли замедлить движение светового пучка с 300 000 000 метров до 0,2 миллиметра в секунду. Используя конденсат Бозе-Эйнштейна физики уже смогли создать лазер с уникальными свойствами. Такие лазеры могут найти применение в нанотехнологиях и помочь создавать полупроводники для компьютеров будущего. Также конденсат Бозе-Эйнштейна можно использовать в квантовых вычислениях, если принимать каждое атомное ядро за кубит.
Теория существования сверхтекучего вещества была разработана в первой трети XX века, но получить его ученым удалось только через 70 лет.
Относительно недавно ученым удалось получить гипотетический конденсат Бозе -Эйнштейна на основе фотонов. Вряд ли обычному человеку эта новость что-то сказала, но в мире науки данное открытие считается просто уникальным. В чем суть?
Конденсат Бозе — Эйнштейна был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе. Конденсат — это специфическая форма вещества, его новое пятое состояние. Это не жидкость, не газ, не твердое тело и не плазма. Когда вещество принимает такую форму, в нем проявляются квантовые эффекты. Вещество становится сверхтекучим. Все его атомы двигаются согласованно. По сути, конденсат становится одной большой квантовой частицей.
Зарабатываем вместе на Binance
Теория существования сверхтекучего вещества была разработана в первой трети XX века, но получить его ученым удалось только через 70 лет. Причина заключалась в том, что частицы вещества должны были вести себя как единая квантовая система для получения предполагаемого конденсата. Для этого их нужно было охладить до температур ниже абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсия) на несколько миллионных долей градуса. Такие температуры называются нанокельвины. Они более чем в миллион раз ниже температуры межзвездного пространства.
В середине 1990-х годов стало известно, что щелочные металлы натрий и рубидий при охлаждении сохраняют нужные свойства для того, что бы превратится в конденсат. Для понижения температуры атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений исследователи использовали лазерное охлаждение вместе с охлаждением испарением.
А вот в 2010 году немецкие ученые из Боннского университета получили конденсат Бозе — Эйнштейна из фотонов уже при комнатной температуре. Как им это удалось? Для эксперимента использовалась камера с двумя изогнутыми зеркалами. Пустое пространство между ними постепенно заполнялось фотонами. В один из моментов запускаемые фотоны теряли устойчивое состояние, в отличие находящихся там ранее частиц. Такие фотоны начинали конденсироваться и переходить в пятое агрегатное состояние материи. Это означает, что ученые получили конденсат Эйнштейна – Бозе при комнатной температуре, без охлаждения.
Применять сверхтекучее вещество можно в широком спектре задач. Например, в атомном лазере. Фотоны в обычном лазере имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны. Если же они примут состояние конденсата, то существует возможность получить излучение для более эффективной работы лазера. К тому же метод получения конденсата из фотонов может найти применение в солнечной энергетике. Это позволит в будущем повысить эффективность солнечных элементов при пасмурной погоде.
Читайте также: