Создано пятое состояние материи: как физикам это удалось

Ученые описали процесс создания вещества, достигаемый при температуре «на волосок» от абсолютного нуля.

Что такое конденсат Бозе — Эйнштейна?

Конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю. Иногда его называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Теоретически предсказанный в начале XX века конденсат Бозе — Эйнштейна, или БЭК, создали в лаборатории только в 1995 году. Это также, пожалуй, самое странное состояние материи, и многое о нем остается неизвестным науке.

Абсолютный ноль — это температура, при которой молекулы прекращают любое движение. Равняется –273,15 °С, или ноль по шкале Кельвина. Когда температура приближается к абсолютному нулю, начинают происходить довольно странные явления.

БЭК возникает, когда группа атомов охлаждается с точностью до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Обычно физики используют лазеры и магнитные ловушки для постоянного снижения температуры газа, 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.

Конденсат Бозе — Эйнштейна и квантовые вычисления

На данный момент БЭК важен для фундаментальных исследований и моделирования систем конденсированных сред. Однако он полезен и в квантовой обработке информации. Квантовые вычисления, которые все еще находятся на ранних стадиях развития, используют различные системы. Но все они зависят от квантовых битов или кубитов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии.

Большинство БЭК изготавливаются из разбавленных газов обычных атомов. Но до сих пор не удалось создать конденсат из экзотических атомов.

Что такое экзотические атомы?

Экзотические атомы — это те, в которых одна субатомная частица, такая как электрон или протон, заменяется другой субатомной частицей с таким же зарядом. Позитроний, например, — это экзотический атом, который состоит из электрона и его положительно заряженной античастицы, позитрона.

Экситон — еще один пример атомной «экзотики». Когда свет попадает на полупроводник, его энергии достаточно, чтобы возбудить электроны и перейти с валентного уровня атома на его уровень проводимости. Затем эти возбужденные электроны свободно текут в электрическом токе, по сути, преобразуя световую энергию в электрическую. Когда отрицательно заряженный электрон совершает этот «прыжок», оставшееся пространство можно рассматривать как положительно заряженную частицу. Отрицательный электрон и положительное пустое пространство притягиваются и, таким образом, связываются.

Вместе эта электронно-пространственная пара представляет собой электрически нейтральную квазичастицу, известную как экситон. Квазичастица — это частицеподобная «сущность», которая не считается одной из 17 элементарных частиц Стандартной модели физики элементарных частиц.

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современную формулировку завершили в 2000-е годы после экспериментального подтверждения существования кварков.

Тем не менее, она все же может обладать свойствами элементарной частицы — такими как заряд и вращение. Экситонную квазичастицу также можно описать как экзотический атом. Все потому, что это фактически атом водорода, у которого единственный положительный протон заменен одной пустотой с положительным зарядом.

Экситоны бывают двух видов: ортоэкситоны, в которых спин электрона параллелен спину его дырки, и параэкситоны, в которых спин электрона антипараллелен (параллелен, но в противоположном направлении) спину его пустоты (дырки).

Как использовали электронно-пустотные системы в прошлом?

Электронно-дырочные системы использовали для создания других фаз материи, таких как электронно-дырочную плазму и даже капли экситонной жидкости. Теперь ученые хотели посмотреть, смогут ли они создать БЭК из экситонов.

Дело в том, что прямое наблюдение экситонного конденсата в трехмерном полупроводнике пользуется большим спросом с тех пор, как теоретики предложили его в 1962 году. Никто не знал, могут ли квазичастицы претерпевать конденсацию Бозе — Эйнштейна так же, как реальные частицы». Как объясняют авторы нового исследования, «это своего рода Святой Грааль физики низких температур».

Попытки в прошлом

Ученые считали, что водородоподобные параэкситоны, созданные в закиси меди (Cu₂O), соединении меди и кислорода, лучше всего подойдут для изготовления экситонных БЭК в объемном полупроводнике. Все из-за из-за их продолжительного времени жизни. Попытки создать параэкситонный БЭК при температурах жидкого гелия около 2 Кельвинов (-271.15 °C) предпринимались еще в 1990-х годах, но не увенчались успехом. Проблема в том, что 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.

Что сделали ученые?

В рамках эксперимента, физики уловили параэкситоны в массе Cu₂O с температурой ниже 400 мК (милликельвинов). Для этого они использовали рефрижератор растворения, специально криогенное устройство. Ученые используют его в попытке реализовать квантовые компьютеры.

Рефрижератор растворения — криогенное устройство, впервые предложенное Хайнцем Лондоном. В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия: ³He и ⁴He. При охлаждении ниже 700 мК смесь испытывает самопроизвольное разделение фаз, образуя фазы: богатую ³He и богатую ⁴He.

Затем они напрямую визуализировали экситонный БЭК в реальном пространстве. Им помогла визуализация с индуцированным поглощением в среднем инфракрасном диапазоне. Это тип микроскопии, для которой используюется свет в середине инфракрасного диапазона. Так ученые смогли провести точные измерения, включая плотность и температуру экситонов. В свою очередь, это позволило им отметить различия и сходства между экситонным БЭК и обычным атомным БЭК.

Что дальше?

Ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Их следующий шаг — исследование динамики формирования экситонного БЭК в объемном полупроводнике и исследование коллективных возбуждений экситонного БЭК.

В итоге физики надеются построить платформу, основанную на системе экситонных БЭК. Это поможет выяснить ее квантовые свойства и лучше понять квантовую механику кубитов, сильно связанных с окружающей средой.

Читать далее:

Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS

«Хаббл» заглянул в «замочную скважину» Вселенной

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

^{На обложке: press.princeton.edu}