В недавно опубликованном отчете группа исследователей из лаборатории Уилла Колумбийского университета сообщает об успешном преодолении порогового значения для образования бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) и создании БЭК из молекул NaCs при сверхнизкой температуре 5 наноКельвинов (= 5 × 10⁻⁹ Кельвинов ). Молекулярный квантовый конденсат был стабилен и имел время жизни около 2 секунд. Это завершает многолетние поиски молекулярного БЭК. Это замечательное достижение и важная веха в науке.
Общеизвестно, что вещество может находиться в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, в зависимости от внешних условий, таких как температура и давление. Например, H₂O в обычных внешних условиях находится в виде льда, воды или пара.
Когда температура превышает 6000–10,000 XNUMX К, вещество ионизируется и превращается в плазму — четвертое состояние материи.
Каким было бы состояние вещества, если бы температура была сверхнизкой, близкой к абсолютному нулю?
В 1924-25 годах Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн сделали теоретическое предсказание о том, что если бозонные частицы (то есть сущности с целочисленным значением спина) охладить до сверхнизкой температуры, близкой к абсолютному нулю, то эти частицы сольются в единую, более крупную сущность с общими свойствами и поведением, подчиняющимися законам квантовой механики. Это состояние, названное конденсатом Бозе-Эйнштейна (КЭК), считалось пятым состоянием материи.
| состояния вещества | Температурный диапазон существования |
| плазма | выше 6000–10,000 XNUMX К |
| Газ | Для воды выше 100°C при нормальном атмосферном давлении. |
| жидкость | Для воды: от 4°C до 100°C. |
| SOLID | Для воды ниже 0°C |
| Конденсат Бозе-Эйзенштейна (БЭК) | Около абсолютного нуля Около 400 наноКелькинов для атомных бозонов. Около 5 нанокельвинов для молекулярного BCE. {1 наноКельвин (нК) = 10 -9 Кельвин} Абсолютный ноль = 0 кельвинов = -273°C. |
Теоретическое предсказание бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК), пятого состояния материи, стало реальностью почти семь десятилетий спустя, в 1995 году, когда Эрик Корнелл и Карл Виман создали первый БЭК в газе атомов рубидия, а вскоре после этого Вольфганг Кеттерле получил БЭК в газе атомов натрия. Трио было совместно удостоено Нобелевской премии по физике 2001 года за достижение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.
Хронология достижений науки о пятом состоянии материи
| Основные этапы |
| 1924-25: Теоретическое предсказание пятого состояния материи. Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн теоретически предсказали, что группа бозонных частиц, охлажденная почти до абсолютного нуля, объединится в одну, более крупную сверхсущность с общими свойствами и поведением, продиктованными законами квантовой механики. |
| 1995: Открытие пятого состояния материи – созданы первые атомные БЭК. Теоретическое предсказание Бозе и Эйнштейна становится реальностью через 70 лет, когда Эрик Корнелл и Карл Виман создали первый БЭК в газе атомов рубидия, а вскоре после этого Вольфганг Кеттерле создал БЭК в газе атомов натрия. |
| Молекулярные BCE Погоня за молекулярными BCE, требующая ультраохлаждения в наноКельвинах (10-9 Кельвин) ассортимент |
| 2008: Дебора Джин и Джун Е охладил газ молекул калия-рубидия примерно до 350 наноКельвинов. |
| 2023: Ян Стивенсон и др. создал первый ультрахолодный газ из молекул натрия-цезия (Na-Cs) с температурой 300 наноКельвинов (нК), используя комбинацию лазерного охлаждения и магнитных манипуляций. |
| 2023: Никколо Бигальи и др. использовали микроволны, чтобы продлить срок службы бозонного газа молекул натрия-цезия с нескольких миллисекунд до более чем одной секунды, что является важным первым шагом к их охлаждению. Используя свой более долговечный образец, они снизили температуру до 36 наноКельвинов — чуть меньше, чем температура, необходимая молекулам для образования БЭК. |
| 2024: Никколо Бигальи и др. создает БЭК молекулярных бозонов (молекул NaCs) при ультрахолодной температуре 5 наноКельвинов (нК). |
С момента открытия в 1995 году лаборатории по всему миру и на Международной космической станции (МКС) регулярно производят атомные БЭК из разных типов атомов.
Молекулярный бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК)
Атомы — это простые круглые объекты без полярных взаимодействий. Поэтому исследователи всегда думали о создании бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) из молекул. Но создать БЭК даже из простых молекул, состоящих из двух атомов разных элементов, было невозможно из-за отсутствия технологии охлаждения молекул до нескольких наноКельвинов (нК), необходимых для образования молекулярных БЭК.
Исследователи из лаборатории Уилла Колумбийского университета последовательно работали над разработкой технологии ультрахолода. В 2008 году им удалось охладить газ молекул калия-рубидия примерно до 350 наноКельвинов. Он помог в выполнении квантового моделирования, изучении молекулярных столкновений и квантовой химии, но не смог преодолеть порог БЭК. В прошлом году, в 2023 году, они использовали микроволны, чтобы продлить срок службы бозонного газа молекул натрия-цезия, и смогли достичь более низкой температуры в 36 наноКельвинов, что было ближе к порогу БЭК.
В недавно опубликованном отчете группа исследователей из лаборатории Уилла Колумбийского университета сообщает об успешном преодолении порогового значения для образования бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) и создании БЭК из молекул NaCs при сверхнизкой температуре 5 наноКельвинов (= 5 × 10⁻⁹ Кельвинов ). Молекулярный квантовый конденсат был стабилен и имел время жизни около 2 секунд. Это завершает многолетние поиски молекулярного БЭК. Это замечательное достижение и важная веха в науке.
Создание молекулярных конденсатов Бозе-Эйнштейна (БЭС) будет иметь долгосрочное значение для исследований в области фундаментальной квантовой физики, квантового моделирования, сверхтекучести и сверхпроводимости, а также инноваций в новых технологиях, таких как новый тип квантового компьютера.
Ссылки:
- Бигагли Н., Юань В., Чжан С. и др. Наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации диполярных молекул. Природа (2024). 03 июня 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Препринтная версия на arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Колумбийский университет 2024. Новости исследований – Самая холодная лаборатория Нью-Йорка предлагает новое квантовое предложение. Опубликовано 03 июня 2024 г. Доступно по адресу: https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Шведская королевская академия наук. Дополнительная информация о Нобелевской премии по физике 2001 г. – Конденсация Бозе-Эйнштейна в щелочных газах. Доступны на https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- НАСА. Пятое состояние материи. Доступны на https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}