I en nylig publisert rapport rapporterer Will Lab-teamet ved Columbia University suksess med å krysse BEC-terskelen og skape Bose-Eienstein-kondensat (BEC) av NaCs-molekyler ved en ultrakald temperatur på 5 nanoKelvin (= 5 X 10)-9 Kelvin). Det molekylære kvantekondensatet var stabilt med en levetid på ca. 2 sekunder. Dette avslutter flere tiår lang jakt på molekylær BEC. Dette er en bemerkelsesverdig prestasjon og en milepæl innen vitenskapen.
Det er allment kjent at materie vil være i en av tre stater, nemlig. fast, flytende eller gass avhengig av ytre forhold som temperatur og trykk. For eksempel, H2O finnes som is, vann eller damp under vanlige ytre forhold.
Når temperaturen er over 6000–10,000 Kelvin, blir materie ionisert og blir til plasma, den fjerde tilstandsmaterie.
Hva ville være tilstanden til materie hvis temperaturen er ultralav nær absolutt null?
I 1924-25 kom Satyendra Nath Bose og Albert Einstein med en teoretisk spådom om at hvis Higgs partikler (dvs. enheter med en heltallsspinnverdi) blir avkjølt til en ultralav temperatur nær absolutt null, partiklene vil smelte sammen til en enkelt, større enhet med felles egenskaper og atferd styrt av kvantemekanikkens lover. Kalt Bose-Einstein-kondensat (BEC), ble denne tilstanden antatt å være den femte materietilstanden.
| tingenes tilstand | Tilværelsens temperaturområde |
| Plasma | over 6000–10,000 XNUMXK |
| Gass | For vann, over 100°C ved normalt atmosfærisk trykk |
| Flytende | For vann, mellom 4°C til 100°C |
| solid | For vann, under 0°C |
| Bose-Eisenstein kondensat (BEC) | Nær absolutt null Omtrent 400 nanoKelkin for atombosoner Omtrent 5 nanokelvin for molekylær BCE {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Absolutt null = 0 kelvin = -273°C |
Den teoretiske forutsigelsen av Bose-Einstein kondensat (BEC), den femte materiens tilstand ble en realitet nesten syv tiår senere i 1995 da Eric Cornell og Carl Wieman skapte den første BEC i en gass av rubidiumatomer, og kort tid etter produserte Wolfgang Ketterle en BEC i en gass av natriumatomer. Trioen ble i fellesskap tildelt Nobelprisen i fysikk 2001″for oppnåelse av Bose-Einstein-kondensasjon i fortynnede gasser av alkaliatomer, og for tidlige grunnleggende studier av egenskapene til kondensatene".
Tidslinje for fremskritt i vitenskapen om materiens femte tilstand
| milepæler |
| 1924-25: Den teoretiske forutsigelsen av materiens femte tilstand. Satyendra Nath Bose og Albert Einstein kom med teoretiske spådommer om at en gruppe bosonpartikler avkjølt til et nesten absolutt nullpunkt ville smelte sammen til en enkelt, større superenhet med felles egenskaper og atferd diktert av kvantemekanikkens lover. |
| 1995: Oppdagelsen av materiens femte tilstand – første atomære BEC opprettet. Den teoretiske spådommen til Bose og Einstein blir en realitet etter 70 år da Eric Cornell og Carl Wieman skapte den første BEC i en gass av rubidiumatomer, og kort tid etter produserte Wolfgang Ketterle en BEC i en gass av natriumatomer. |
| Molekylære BCE Jakten på molekylære BCE som krever ultrakjøling i nanoKelvin (10-9 Kelvin) område |
| 2008: Deborah Jin og Jun Ye kjølte en gass av kalium-rubidium-molekyler ned til ca. 350 nanoKelvin. |
| 2023: Ian Stevenson et al skapte den første ultrakalde gassen av natrium-cesium (Na-Cs) molekyler ved en temperatur på 300 nanoKelvin (nK) ved bruk av en kombinasjon av laserkjøling og magnetiske manipulasjoner. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al brukte mikrobølger for å forlenge levetiden til en bosonisk gass av natrium-cesium-molekyler fra noen få millisekunder til over ett sekund, et kritisk første skritt for å avkjøle dem. Med sin langvarige prøve, falt de temperaturen til 36 nanoKelvin - bare mindre enn temperaturen som trengs for at molekylene skal danne en BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al skaper BEC av molekylære bosoner (NaCs-molekyler) ved en ultrakald temperatur på 5 nanoKelvin (nK) |
Siden oppdagelsen i 1995 har laboratorier over hele verden og i den internasjonale romstasjonen (ISS) rutinemessig laget atomære BEC-er fra forskjellige typer atomer.
Molecular Bose-Einstein kondensat (BEC)
Atomer er enkle, slags runde enheter uten polare interaksjoner. Derfor har forskere alltid tenkt på å lage Bose-Einstein-kondensat (BEC) fra molekyler. Men å lage BEC-er av til og med enkle molekyler laget av to atomer av forskjellige elementer var ikke mulig på grunn av mangel på teknologi for å avkjøle molekyler til få nanoKelvin (nK) som er nødvendige for dannelse av molekylær BEC.
Forskere ved Will Lab ved Columbia University har konsekvent jobbet for å utvikle ultrakald teknologi. I 2008 var de i stand til å avkjøle en gass av kalium-rubidium-molekyler til omtrent 350 nanoKelvin. Det hjalp til med å utføre kvantesimuleringer og med å studere molekylære kollisjoner og kvantekjemi, men kunne ikke krysse BEC-terskelen. I fjor i 2023 brukte de mikrobølger for å forlenge levetiden til en bosonisk gass av natrium-cesium-molekyler og var i stand til å oppnå lavere temperatur på 36 nanoKelvin som var nærmere BEC-terskelen.
I en nylig publisert rapport rapporterer Will Lab-teamet ved Columbia University suksess med å krysse BEC-terskelen og skape Bose-Eienstein-kondensat (BEC) av NaCs-molekyler ved en ultrakald temperatur på 5 nanoKelvin (= 5 X 10)-9 Kelvin). Det molekylære kvantekondensatet var stabilt med en levetid på ca. 2 sekunder. Dette avslutter flere tiår lang jakt på molekylær BEC. Dette er en bemerkelsesverdig prestasjon og en milepæl innen vitenskapen.
Opprettelse av molekylære Bose-Einstein-kondensater (BES) vil ha langsiktig relevans for forskning innen grunnleggende kvantefysikk, kvantesimuleringer, superfluiditet og superledning og innovasjon av nye teknologier som ny type kvantedatamaskin.
***
Referanser:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observasjon av Bose–Einstein-kondensering av dipolare molekyler. Natur (2024). 03. juni 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Fortrykt versjon på arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Forskningsnyheter – The Coldest Lab i New York har et nytt kvantetilbud. Skrevet 03. juni 2024. Tilgjengelig på https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Det kongelige svenske vitenskapsakademi. Avansert informasjon om Nobelprisen i fysikk 2001 – Bose-Einstein Condensation in Alkali Gases. Tilgjengelig i https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Den femte materiens tilstand. Tilgjengelig i 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}