0
8656
Газета Наука Печатная версия

22.11.2022 18:10:00

Пятое состояние вещества становится все горячее

Физики учатся управлять конденсатом Бозе–Эйнштейна

Тэги: физика, квантовая физика


физика, квантовая физика Кристалл замороженного неона (красный), в котором свет возбуждает экситон (вверху).

Выходец с субконтинента Индии Шатьендранат Бозе – один из пионеров квантовой физики. Вместе с Альбертом Эйнштейном он предположил, что при достаточном приближении к абсолютному нулю температуры (минус 273 градуса по Цельсию) атомы утеряют тепловую подвижность и начнут образовывать «сгусток» (как тромб в сосуде). То есть происходит фазовый переход, после которого длина волны подвижных атомов сравнивается с расстоянием между ними.

В память об этом теоретическом прозрении оно получило имя «конденсат Бозе–Эйнштейна» (ВЕС). Экспериментально он был получен для тяжелых атомов рубидия лишь в 1995 году, за что в 2001-м была присуждена Нобелевская премия. Для более легкого гелия, который вблизи абсолютного нуля обретает сверхтекучесть, дали название «жидкость Бозе». А возбуждения в ней получили названия «квазичастицы». Они возникают в среде на краткий миг, что затрудняет их измерение. Пример – фононы, или механически упругие колебания среды, например воздушной, передающей звуковые колебания, или кристаллической решетки твердого тела.

В проводниках все намного проще, поскольку приложенное к ним напряжение порождает ЭДС, или электродвижущую силу. Именно она заставляет электроны «бежать» в проводе – ток, возникший под действием разности потенциалов на концах проводника. ЭДС может возникать под действием переменного магнитного поля или даже разности температур и света.

Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору Нобелевские премии вручили с разницей в год. Творец общей теории относительности был уверен, что электрон должен «упасть» на ядро. А вот датчанин Бор постулировал тепловую подпитку электрона, который постоянно возбуждается и переходит на более высокий энергетический уровень. Пребывание на нем кратковременно, поэтому заряд быстро возвращается в исходное состояние, испуская при этом фотон, то есть квант света.

Эйнштейн получил премию за описание того, как свет взаимодействует с твердым телом, выбивая из него электроны. Этот эффект лежит в основе работы фотоэлементов. Аналогом процесса является фотосинтез, в ходе которого также происходит «выбивание» электрона с орбиты марганца. Физики сегодня могут только мечтать об эффективности фотосинтеза.

14-14-2480.jpg
Двумерная гетероструктура для генерирования
высокотемпературного экситонного
конденсата Бозе–Эйнштейна. 
Иллюстрации Physorg
Вполне возможно, что решению многих проблем поможет разработка способов управления виртуальными частицами – экситонами. Они образуются при разделении электрона и дырки в полупроводниках под действием света. По крайней мере об этом заявили ученые Токийского университета, которые наблюдали ВЕС фотоэкситонов в полупроводнике оксида меди (Cu2O). Успех был достигнут благодаря помещению кристалла Cu2O в криотермостат, температуру в котором снижали до 64 милли-Кельвин. Полупроводник возбуждали светом, после чего начиналась собственная люминесценция экситонов. Авторы исследования считают, что им удалось получить экситонный конденсат Бозе–Эйнштейна как пятое состояние материи (вслед за твердым и жидким, газом и плазмой).

Экситон также можно причислить к экзотическим атомам, поскольку он «равен» водороду, так как имеет такой элементарный положительный заряд. Причем если вокруг протона вращается электрон, то по аналогии у экситона присутствует квантовый «аромат» (flavor).

Экситоны могут пребывать также в виде электрон-дырочной плазмы и жидких капель (liquid droplets). Это, кстати, открывает новые перспективы использования экситонных ВЕС.

Получение экситонного конденсата означает еще один шаг к квантовой информатике и компьютерам. Одно дело – тяжелые атомы рубидия, охлаждать которые приходится до 20 нано-Кельвинов, а другое – 64 милли-Кельвина: разница на семь порядков! К тому же в 2021 году Университет Сингапура предсказал получение высокотемпературного ВЕС: при 950–100 Кельвинов (от +677 до –173 по Цельсию)! Достигается это с помощью гетероструктуры из сульфида молибдена (MoS2) и органического цинка (ZnPc, фталоцианин). Статья ученых, которая называлась «Трансфер экситонного заряда в органических 2D гетероструктрах», была опубликована в журнале Nano Letters.

Остается надеяться, что предвидение сингапурцев не потребует 100 лет для своего физического воплощения.


Читайте также


Квантовую механику обожал как женщину

Квантовую механику обожал как женщину

Ольга Рычкова

Писатель, лауреат премии «НГ» «Нонконформизм» Андрей Бычков о воображении, иллюзиях и странных частицах

0
1120
Раздвоение школьной физики на углубленную и базовую

Раздвоение школьной физики на углубленную и базовую

Елена Герасимова

Изучение основ единой науки о природе считают важным для жизни только 27% учеников

0
7532
Универсум лабораторного типа

Универсум лабораторного типа

Виталий Антропов

Судя по всему, наша цивилизация по-прежнему космологически бесплодна, но не все еще потеряно

0
15136
Нервную ткань реконструировали в 3D-формате

Нервную ткань реконструировали в 3D-формате

Игорь Лалаянц

Клетки коры головного мозга преподнесли ученым очередной сюрприз

0
10770

Другие новости