Ученым-физикам впервые в истории науки удалось создать пятое экзотическое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, состоящее исключительно из квазичастиц, образований, не являющихся элементарными частицами, но демонстрирующими некоторые из их характерных свойств. В течение нескольких десятилетий ученые не знали, возможно ли уплотнение квазичастиц до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна, подобно реальным частицам? И результаты нынешних исследований указывают на то, что это вполне возможно, и это может оказать значительное влияние на развитие некоторых технологий, включая квантовые вычисления.
Напомним нашим читателям, что конденсат Бозе-Эйнштейна получается, когда облако твердых частиц, атомов, ионов и т.п. охлаждается до температуры, очень и очень близкой к температуре абсолютного нуля. При такой температуре тепловое движение частиц замирает и на первое место выходят квантовые свойства частиц. Все частицы облака синхронизируются, и все облако начинает вести себя подобно одной большой частице.
В большинстве случаев конденсат Бозе-Эйнштейна создается из обычных атомов, обычно рубидия, распыленных до газообразного состояния. Но до последнего времени никому еще не удавалось создать конденсат из экзотических атомов или квазичастиц. Экзотические атомы — это атомы, в которых одна из частиц, таких, как протон или электрон, заменена другой частицей с таким же значением электрического заряда. Позитроний, к примеру, является экзотическим атомом, состоящим из электрона и его положительно заряженного антипода — позитрона.
Экситоны — это еще один пример подобного. Когда фотоны света ударяют в поверхность полупроводниковых материалов, они возбуждают электроны, которые покидают атом и становятся свободными электронами, способными участвовать в движении электрического тока. Место в кристаллической решетке, откуда был выбит электрон, так называемая электронная дырка, может рассматриваться в качестве носителя положительного заряда. И в некоторых случаях свободный отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка объединяются и формируют нейтральную частицу, называемую экситоном.
Экситоны не считаются ни одной из 17 видов элементарных частиц Стандартной Модели, но они обладают их многими характерными свойствами, включая спин, и поведением. Экситон также может считаться экзотическим атомом, подобием атома водорода, у которого протон заменен на положительно заряженную электронную дырку. Экситоны бывают нескольких типов — ортоэкситоны, у которых электрон вращается параллельно направлению вращения электронной дырки, и параэкситоны, у которых электрон вращается в противоположном направлении.
Системы экситонов уже использовались для получения экзотических состояний материи, таких, как электронно-дырочная плазма и капельки экситонной жидкости. И теперь исследователям удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна из экситонов. Первые попытки были предприняты в 1990-х годах при температурах около 2 Кельвинов, которые могло обеспечить охлаждение жидким гелием. В качестве полупроводника использовался оксид меди (Cu2O), но эти попытки потерпели неудачу, так как для формирования конденсата требовались более низкие температуры.
Ортоэкситоны не могут быть использованы для таких целей, поскольку они существуют очень короткое время. Параэкситоны, имеющие длительность жизни в несколько сотен наносекунд, подходят для формирования конденсата Бозе-Эйнштейна несколько лучше, потому, что за время их существования можно успеть охладить их до необходимой температуры.
Поэтому японские ученые и использовали параэкситоны, которые были пойманы в ловушке из оксида меди при температуре в 400 микроКельвинов, охлаждение до которой обеспечило охлаждение за счет испарения двух различных изотопов гелия. При помощи специальной технологии наблюдения, использующей инфракрасный свет, ученые измерили плотность и температуру экситонов, что позволило им констатировать сам факт образования конденсата Бозе-Эйнштейна, заметить сходства и различия между экситонным конденсатом и конденсатом из обычных частиц.
На следующем этапе исследований ученые будут изучать динамику экситонного конденсата Бозе-Эйнштейна и его коллективного поведения. А, в конце концов, ученые планируют создать систему, где частицы конденсата будут выступать в роли квантовых битов, кубитов, что, вполне вероятно, обеспечит некоторое понимание принципов и тонкостей их работы.
Ключевые слова:
Конденсат, Бозе, Эйнштейн, Квазичастица, Экситон, Электрон, Дырка, Экзотический, Атом
Другие новости по теме:
Материалы по теме:
Posted in 
Tags: 