Í nýlega birtri skýrslu greinir Will Lab teymi Columbia háskóla frá árangri við að fara yfir BEC þröskuld og búa til Bose-Eienstein þéttivatn (BEC) af NaCs sameindum við ofurkaldt hitastig 5 nanókelvin (= 5 X 10)-9 Kelvin). Sameindaskammtaþéttingin var stöðug með líftíma um það bil 2 sekúndur. Þetta bindur enda á nokkurra áratuga langa leit að sameinda BEC. Þetta er ótrúlegur árangur og áfangi í vísindum.
Það er almennt vitað að efni væri í öðru hvoru þriggja ríkja, þ.e. fast, fljótandi eða gas eftir ytri aðstæðum eins og hitastigi og þrýstingi. Til dæmis, H2O finnst sem ís, vatn eða gufa við venjulegar ytri aðstæður.
Þegar hitastigið er yfir 6000–10,000 Kelvin jónast efni og breytist í plasma, fjórða ástandsefnið.
Hvernig væri ástand efnisins ef hitastigið er ofurlágt nálægt algjöru núlli?
Á árunum 1924-25 gerðu Satyendra Nath Bose og Albert Einstein fræðilega spá um að ef boson agnir (þ.e. einingar með heiltölu snúningsgildi) eru kældar niður í ofurlágt hitastig nálægt algjöru núlli, agnirnar myndu renna saman í eina, stærri heild með sameiginlega eiginleika og hegðun sem stjórnast af lögmálum skammtafræðinnar. Þetta ástand var kallað Bose-Einstein condensate (BEC) og var talið vera fimmta ástand efnisins.
| Ríki efnis | Hitastig tilverunnar |
| Plasma | yfir 6000–10,000K |
| Gas | Fyrir vatn, yfir 100°C við venjulegan loftþrýsting |
| Liquid | Fyrir vatn, á bilinu 4°C til 100°C |
| Solid | Fyrir vatn, undir 0°C |
| Bose-Eisenstein þéttivatn (BEC) | Nálægt algjöru núlli Um 400 nanoKelkin fyrir atómbósón Um 5 nanókelvín fyrir sameinda f.Kr {1 nanóKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Algjört núll = 0 kelvin = -273°C |
Fræðileg spá Bose-Einstein þéttivatnsins (BEC), fimmta ástand efnisins varð að veruleika næstum sjö áratugum síðar árið 1995 þegar Eric Cornell og Carl Wieman bjuggu til fyrsta BEC í gasi af rúbídíum atómum, og stuttu síðar framleiddi Wolfgang Ketterle BEC í gasi af natríumatómum. Tríóið hlaut í sameiningu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2001″til að ná Bose-Einstein þéttingu í þynntum lofttegundum alkalíatóma, og fyrir fyrstu grundvallarrannsóknir á eiginleikum þéttiefna.".
Tímalína framfara í vísindum um fimmta ástand efnis
| áfangar |
| 1924-25: Fræðileg spá um fimmta ástand efnisins. Satyendra Nath Bose og Albert Einstein gerðu fræðilega spá um að hópur bósónagna sem kældist niður í næstum algjört núll myndi renna saman í eina, stærri ofureiningu með sameiginlega eiginleika og hegðun sem ráðist er af lögmálum skammtafræðinnar. |
| 1995: Uppgötvun fimmta ástands efnisins - fyrstu atóma BECs stofnuð. Fræðileg spá Bose og Einstein verður að veruleika eftir 70 ár þegar Eric Cornell og Carl Wieman bjuggu til fyrsta BEC í gasi af rúbídíum atómum, og stuttu síðar framleiddi Wolfgang Ketterle BEC í gasi úr natríumatómum. |
| Sameinda BCE Leitin að sameinda BCE sem krefst ofurkælingar í nanoKelvin (10-9 Kelvin) svið |
| 2008: Deborah Jin og Jun Ye kælt lofttegund af kalíum-rúbídíum sameindum niður í um 350 nanókelvin. |
| 2023: Ian Stevenson et al bjó til fyrsta ofurkalda gasið af natríum-cesium (Na-Cs) sameindum við hitastigið 300 nanókelvin (nK) með því að nota blöndu af leysikælingu og segulmagnaðir. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al notað örbylgjuofnar til að lengja líftíma bósónísks gass af natríum-sesíum sameindum úr nokkrum millisekúndum í meira en eina sekúndu, mikilvægt fyrsta skref til að kæla þær. Með sýninu sem endist lengur, lækkuðu þeir hitastigið í 36 nanókelvin - rétt minna en hitastigið sem þarf til að sameindirnar myndu BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al býr til BEC úr sameindabósónum (NaCs sameindum) við ofurkalda hitastigið 5 nanókelvin (nK) |
Síðan uppgötvunin árið 1995, hafa rannsóknarstofur um allan heim og í Alþjóðlegu geimstöðinni (ISS) reglulega búið til atómbundnar BEC úr mismunandi gerðum atóma.
Molecular Bose-Einstein þéttivatn (BEC)
Atóm eru einföld, eins konar kringlótt einingar án skauta samskipta. Þess vegna hafa vísindamenn alltaf hugsað um að búa til Bose-Einstein þéttivatn (BEC) úr sameindum. En það var ekki mögulegt að búa til BEC úr jafnvel einföldum sameindum úr tveimur atómum mismunandi frumefna vegna skorts á tækni til að kæla sameindir niður í fáar nanókelvin (nK) sem nauðsynlegar eru til að mynda sameinda BEC.
Vísindamenn við Will Lab frá Columbia háskólanum hafa stöðugt unnið að því að þróa ofurkalda tækni. Árið 2008 tókst þeim að kæla lofttegund af kalíum-rúbídíum sameindum í um 350 nanókelvin. Það hjálpaði við að framkvæma skammtahermi og við að rannsaka sameindaárekstra og skammtaefnafræði en gat ekki farið yfir BEC þröskuldinn. Á síðasta ári árið 2023 notuðu þeir örbylgjuofna til að lengja líftíma bósónísks gass af natríum-sesíum sameindum og gátu náð lægra hitastigi upp á 36 nanókelvin sem var nær BEC þröskuldinum.
Í nýlega birtri skýrslu greinir Will Lab teymi Columbia háskóla frá árangri við að fara yfir BEC þröskuld og búa til Bose-Eienstein þéttivatn (BEC) af NaCs sameindum við ofurkaldt hitastig 5 nanókelvin (= 5 X 10)-9 Kelvin). Sameindaskammtaþéttingin var stöðug með líftíma um það bil 2 sekúndur. Þetta bindur enda á nokkurra áratuga langa leit að sameinda BEC. Þetta er ótrúlegur árangur og áfangi í vísindum.
Sköpun sameinda Bose-Einstein þéttiefna (BES) myndi hafa langtíma þýðingu fyrir rannsóknir í grundvallarskammtaeðlisfræði, skammtahermum, ofurflæði og ofurleiðni og nýsköpun nýrrar tækni eins og ný gerð skammtatölva.
***
Tilvísanir:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. o.fl. Athugun á Bose–Einstein þéttingu tvískauta sameinda. Náttúran (2024). 03. júní 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Forprentuð útgáfa á arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Rannsóknarfréttir – Kaldasta rannsóknarstofan í New York hefur nýtt skammtatilboð. Sent þann 03. júní 2024. Fæst á https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Konunglega sænska vísindaakademían. Ítarlegar upplýsingar um Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2001 – Bose-Einstein Condensation in Alkali Gases. Fæst kl https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Fimmta ástand málsins. Fæst kl https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
