Физики впервые воспроизвели пятое состояние материи

Конденсат Бозе-Эйнштейна состоящий из квазичастиц — это то, что многие называют пятым состоянием вещества. Ранее считалось, что его можно создать только из обычных веществ, но одной группе физиков удалось получить таинственное вещество из более экзотического источника.

Физики впервые воспроизвели пятое состояние материи

В течение десятилетий было неизвестно, могут ли квазичастицы претерпевать конденсацию Бозе-Эйнштейна так же, как и реальные частицы, и теперь выясняется, что могут. Это открытие окажет значительное влияние на развитие квантовых технологий, включая квантовые вычисления. Недавно в журнале Nature Communications была опубликована статья, описывающая процесс создания вещества, который проводился при температуре чуть выше абсолютного нуля.

Конденсат Бозе-Эйнштейна иногда называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Теоретически предсказанный в начале 20-го века конденсат Бозе-Эйнштейна, или БЭК, был создан в лаборатории только в 1995 году. Это также, пожалуй, самое странное состояние материи, и многое о нем остается неизвестным науке.

БЭК возникает, когда группа атомов охлаждается с точностью до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Исследователи обычно используют лазеры и магнитные ловушки для постоянного снижения температуры газа, обычно состоящего из атомов рубидия. При такой сверхнизкой температуре атомы почти не двигаются и начинают вести себя очень странно. Они находятся в одном и том же квантовом состоянии — почти как когерентные фотоны в лазере — и начинают слипаться, занимая тот же объем, что и один неразличимый "суператом". Совокупность атомов по существу ведет себя как одна частица.

Физики впервые воспроизвели пятое состояние материи

Источник: The University of Tokyo.

Крупный план аппарата в некриогенном холодильнике для растворения. Темно-красный кубический кристалл в центре изображения — это закись меди. Менисковая линза из селенида цинка, расположенная за кристаллом, является линзой объектива. Стержень и столик под кристаллом используются для создания неоднородного поля деформации в кристалле, играющего роль ловушечного потенциала для экситонов.

Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов обычных атомов. Но до сих пор не удалось достичь БЭК из экзотических атомов. Экзотические атомы — это атомы, в которых одна субатомная частица, такая как электрон или протон, заменена другой субатомной частицей с таким же зарядом. Позитроний, например, представляет собой экзотический атом, состоящий из электрона и его положительно заряженной античастицы, позитрона. Экситон — частный пример такого необычного атома. 

Исследователи думали, что водородоподобные параэкситоны, созданные в закиси меди (Cu2O), соединении меди и кислорода, были одним из наиболее многообещающих кандидатов для изготовления экситонных БЭК в объемном полупроводнике из-за их длительного времени жизни. Попытки создать параэкситонный БЭК при температурах жидкого гелия около 2 Кельвинов предпринимались в 1990-х годах, но они не увенчались успехом, поскольку для создания БЭК из экситонов необходимы температуры намного ниже этой. Ортоэкситоны не могут достичь такой низкой температуры, так как они слишком недолговечны. Однако экспериментально хорошо известно, что параэкситоны имеют чрезвычайно долгое время жизни, превышающее несколько сотен наносекунд, что достаточно долго, чтобы охладить их до желаемой температуры БЭК.

Команде удалось уловить параэкситоны в массе Cu2O с температурой ниже 400 милликельвинов, используя рефрижератор растворения, криогенное устройство, которое охлаждается путем смешивания двух изотопов гелия вместе и которое обычно используется учеными, пытающимися реализовать квантовые компьютеры. Затем они напрямую визуализировали экситонный БЭК в реальном пространстве с помощью визуализации с индуцированным поглощением в среднем инфракрасном диапазоне, типа микроскопии, использующей свет в середине инфракрасного диапазона. Это позволило команде провести точные измерения, включая плотность и температуру экситонов, что, в свою очередь, позволило им отметить различия и сходства между экситонной БЭК и обычной атомной БЭК.

Следующим шагом группы будет исследование динамики формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонного БЭК. Их конечная цель — построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК, для дальнейшего выяснения ее квантовых свойств и лучшего понимания квантовой механики кубитов, сильно связанных с окружающей средой.

Читайте также

ИИ открыл тайны британского мореплавания

ИИ открыл тайны британского мореплавания

Сахар в красном мясе повышает риск диабета на 63%

Сахар в красном мясе повышает риск диабета на 63%

Ежедневное употребление черники может влиять на настроение

Ежедневное употребление черники может влиять на настроение

Гигантская кувшинка Victoria colombiana видна из космоса из-за размера листьев

Гигантская кувшинка Victoria colombiana видна из космоса из-за размера листьев

Учёные обнаружили, что мозг готовится к прикосновениям и изображениям ещё до их появления

Учёные обнаружили, что мозг готовится к прикосновениям и изображениям ещё до их появления

От високосной секунды хотят отказаться уже в 2027 году из-за угрозы компьютерных сбоев

От високосной секунды хотят отказаться уже в 2027 году из-за угрозы компьютерных сбоев

Неандерталец погиб 75 000 лет назад от удара копьем

Неандерталец погиб 75 000 лет назад от удара копьем

Зрачки человека расширяются в зависимости от его мыслей

Зрачки человека расширяются в зависимости от его мыслей

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Оптические иллюзии Парфенона оказались мифом

Оптические иллюзии Парфенона оказались мифом

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

«Черный ящик»: как устроен главный свидетель авиакатастроф и почему его нельзя заменить облаком

«Черный ящик»: как устроен главный свидетель авиакатастроф и почему его нельзя заменить облаком

Anthropic предложила закон, позволяющий блокировать опасные модели ИИ до их выпуска

Anthropic предложила закон, позволяющий блокировать опасные модели ИИ до их выпуска

Китайские космонавты собрали урожай риса на орбите и начали выращивать второе поколение

Китайские космонавты собрали урожай риса на орбите и начали выращивать второе поколение

Гибель звезды помогла астрономам обнаружить блуждающую чёрную дыру вдали от центра галактики

Гибель звезды помогла астрономам обнаружить блуждающую чёрную дыру вдали от центра галактики