V nedavno objavljenem poročilu skupina Will Lab z Univerze Columbia poroča o uspehu pri prečkanju praga BEC in ustvarjanju Bose-Eiensteinovega kondenzata (BEC) molekul NaCs pri ultrahladni temperaturi 5 nanoKelvinov (= 5 X 10-9 Kelvin). Molekularni kvantni kondenzat je bil stabilen z življenjsko dobo približno 2 sekundi. S tem se konča nekaj desetletij dolgo prizadevanje za molekularni BEC. To je izjemen dosežek in mejnik v znanosti.
Splošno znano je, da bi bila snov v enem od treh stanj, tj. trdno, tekoče ali plinasto, odvisno od zunanjih pogojev, kot sta temperatura in tlak. Na primer, H2O se nahaja kot led, voda ali para v običajnih zunanjih pogojih.
Ko je temperatura nad 6000–10,000 Kelvinov, se snov ionizira in spremeni v plazmo, materijo četrtega stanja.
Kakšno bi bilo agregatno stanje, če bi bila temperatura ultra nizka blizu absolutne ničle?
Leta 1924-25 sta Satyendra Nath Bose in Albert Einstein podala teoretično napoved, da če bozon delci (tj. entitete s celoštevilčno vrednostjo vrtenja) ohladijo na ultranizko temperaturo blizu absolutne ničle, bi se delci združili v eno samo, večjo entiteto s skupnimi lastnostmi in vedenjem, ki ga urejajo zakoni kvantne mehanike. To stanje, imenovano Bose-Einsteinov kondenzat (BEC), je veljalo za peto stanje snovi.
| stanja snovi | Temperaturno območje obstoja |
| Plazma | nad 6000–10,000K |
| Plin | Za vodo nad 100 °C pri normalnem atmosferskem tlaku |
| Tekočina | Za vodo med 4°C in 100°C |
| Masivna | Za vodo pod 0°C |
| Bose-Eisensteinov kondenzat (BEC) | Blizu absolutne ničle Približno 400 nanoKelkinov za atomske bozone Približno 5 nanokelvinov za molekularno BCE {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Absolutna ničla = 0 kelvinov = -273°C |
Teoretična napoved Bose-Einsteinovega kondenzata (BEC), petega agregatnega stanja, je postala resničnost skoraj sedem desetletij kasneje, leta 1995, ko sta Eric Cornell in Carl Wieman ustvarila prvi BEC v plinu atomov rubidija, kmalu zatem pa je Wolfgang Ketterle izdelal BEC v plinu natrijevih atomov. Trio je skupaj prejel Nobelovo nagrado za fiziko 2001″za doseganje Bose-Einsteinove kondenzacije v razredčenih plinih alkalijskih atomov in za zgodnje temeljne študije lastnosti kondenzatov".
Časovnica napredka v znanosti o petem agregatnem stanju
| mejniki |
| 1924-25: Teoretična napoved petega agregatnega stanja. Satyendra Nath Bose in Albert Einstein sta teoretično napovedala, da se bo skupina bozonskih delcev, ohlajenih na skoraj absolutno ničlo, združila v eno samo, večjo super-entiteto s skupnimi lastnostmi in vedenjem, ki ga narekujejo zakoni kvantne mehanike. |
| 1995: Odkritje petega agregatnega stanja – ustvarjeni prvi atomski BEC. Teoretična napoved Boseja in Einsteina postane resničnost po 70 letih, ko sta Eric Cornell in Carl Wieman ustvarila prvi BEC v plinu atomov rubidija, kmalu zatem pa je Wolfgang Ketterle izdelal BEC v plinu atomov natrija. |
| Molekularni BCE Prizadevanje za molekularne BCE, ki zahteva ultra-hlajenje v nanoKelvinih (10-9 Kelvin) območje |
| 2008: Deborah Jin in Jun Ye ohladil plin iz molekul kalija in rubidija na približno 350 nanoKelvinov. |
| 2023: Ian Stevenson sod ustvarili prvi ultrahladni plin molekul natrij-cezij (Na-Cs) pri temperaturi 300 nanoKelvinov (nK) s kombinacijo laserskega hlajenja in magnetnih manipulacij. |
| 2023: Niccolò Bigagli sod uporabil mikrovalove za podaljšanje življenjske dobe bozonskega plina molekul natrija in cezija z nekaj milisekund na več kot eno sekundo, kar je kritičen prvi korak k njihovemu hlajenju. S svojim dolgotrajnejšim vzorcem so znižali temperaturo na 36 nanoKelvinov – le manj od temperature, potrebne za molekule, da tvorijo BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli sod ustvari BEC molekularnih bozonov (molekul NaCs) pri ultrahladni temperaturi 5 nanoKelvinov (nK) |
Od odkritja leta 1995 laboratoriji po vsem svetu in na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) redno izdelujejo atomske BEC iz različnih vrst atomov.
Molekularna Bose-Einsteinov kondenzat (BEC)
Atomi so preproste, okrogle entitete brez polarnih interakcij. Zato so raziskovalci vedno razmišljali o ustvarjanju Bose-Einsteinovega kondenzata (BEC) iz molekul. Toda ustvarjanje BEC celo preprostih molekul, sestavljenih iz dveh atomov različnih elementov, ni bilo mogoče zaradi pomanjkanja tehnologije za hlajenje molekul na nekaj nanoKelvinov (nK), potrebnih za tvorbo molekularnega BEC.
Raziskovalci v Will Labu z univerze Columbia so si nenehno prizadevali za razvoj ultrahladne tehnologije. Leta 2008 jim je uspelo ohladiti plin iz molekul kalija in rubidija na približno 350 nanokelvinov. Pomagal je pri izvajanju kvantnih simulacij in pri proučevanju molekularnih trkov in kvantne kemije, vendar ni mogel preseči praga BEC. Lani leta 2023 so uporabili mikrovalove za podaljšanje življenjske dobe bozonskega plina molekul natrij-cezij in jim je uspelo doseči nižjo temperaturo 36 nanoKelvinov, kar je bilo bližje pragu BEC.
V nedavno objavljenem poročilu skupina Will Lab z Univerze Columbia poroča o uspehu pri prečkanju praga BEC in ustvarjanju Bose-Eiensteinovega kondenzata (BEC) molekul NaCs pri ultrahladni temperaturi 5 nanoKelvinov (= 5 X 10-9 Kelvin). Molekularni kvantni kondenzat je bil stabilen z življenjsko dobo približno 2 sekundi. S tem se konča nekaj desetletij dolgo prizadevanje za molekularni BEC. To je izjemen dosežek in mejnik v znanosti.
Ustvarjanje molekularnih Bose-Einsteinovih kondenzatov (BES) bi imelo dolgoročni pomen za raziskave temeljne kvantne fizike, kvantnih simulacij, superfluidnosti in superprevodnosti ter inovacije novih tehnologij, kot je nova vrsta kvantnega računalnika.
***
Reference:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Opazovanje Bose–Einsteinove kondenzacije dipolarnih molekul. Narava (2024). 03. junij 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Različica prednatisa na arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Univerza Columbia 2024. Novice o raziskavah – Najhladnejši laboratorij v New Yorku ima novo kvantno ponudbo. Objavljeno 03. junija 2024. Dostopno na https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Kraljeva švedska akademija znanosti. Napredne informacije o Nobelovi nagradi za fiziko 2001 – Bose-Einsteinova kondenzacija v alkalijskih plinih. Na voljo na https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Peto agregatno stanje. Na voljo na https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
