Füüsiline efekt kehtib ka kvantmaailmas

20. jaanuar 2023 (Nanowerki uudised) Bonni ülikooli füüsikud on eksperimentaalselt tõestanud, et oluline statistilise füüsika teoreem kehtib niinimetatud Bose-Einsteini kondensaatide kohta. Nende tulemused võimaldavad nüüd mõõta kvant "superosakeste" teatud omadusi ja tuletada süsteemi omadusi, mida muidu oleks raske jälgida. Uuring on nüüd avaldatud aastal Physical Review Letters ("Fluktuatsiooni-hajumise suhe Footonite Bose-Einsteini kondensaadi jaoks"). Oletame, et teie ees on tundmatu vedelikuga täidetud anum. Teie eesmärk on välja selgitada, kui palju selles olevad osakesed (aatomid või molekulid) oma soojusenergia tõttu juhuslikult edasi-tagasi liiguvad. Siiski ei ole teil mikroskoopi, millega saaksite visualiseerida neid asendikõikumisi, mida nimetatakse Browni liikumiseks. Selgub, et teil pole seda üldse vaja: võite ka lihtsalt eseme nööri külge siduda ja vedelikust läbi tõmmata. Mida rohkem jõudu peate rakendama, seda viskoossem on teie vedelik. Ja mida viskoossem see on, seda vähem muudavad vedelikus olevad osakesed keskmiselt oma asukohta. Seetõttu saab viskoossust antud temperatuuril kasutada kõikumiste ulatuse ennustamiseks. Füüsikaline seadus, mis seda fundamentaalset seost kirjeldab, on fluktuatsiooni-hajumise teoreem. Lihtsamalt öeldes öeldakse: mida suuremat jõudu peate rakendama süsteemi häirimiseks väljastpoolt, seda vähem kõigub see juhuslikult (st statistiliselt) iseenesest, kui jätate selle rahule. "Oleme nüüd esimest korda kinnitanud teoreemi paikapidavust spetsiaalse kvantsüsteemide rühma jaoks: Bose-Einsteini kondensaadid," selgitab dr Julian Schmitt Bonni ülikooli rakendusfüüsika instituudist. Footonid (rohelised) võivad värvainemolekulid (punased) "alla neelata" ja hiljem uuesti "välja sülitada". Mida tõenäolisem see on, seda rohkem footonite arv kõigub. (Pilt: J. Schmitt, Bonni Ülikool)

"Superfootonid", mis on valmistatud tuhandetest valgusosakestest

Bose-Einsteini kondensaadid on aine eksootilised vormid, mis võivad tekkida kvantmehaanilise efekti tõttu: teatud tingimustel muutuvad osakesed, olgu need siis aatomid, molekulid või isegi footonid (valgust moodustavad osakesed), eristamatuks. Paljud sajad või tuhanded neist ühinevad üheks "superosakeseks" - Bose-Einsteini kondensaadiks (BEC). Piiratud temperatuuriga vedelikus liiguvad molekulid juhuslikult edasi-tagasi. Mida soojem on vedelik, seda tugevamad on need termilised kõikumised. Bose-Einsteini kondensaadid võivad samuti kõikuda: kondenseerunud osakeste arv on erinev. Ja see kõikumine suureneb ka temperatuuri tõustes. "Kui kõikumise-hajumise teoreem kehtib BEC-de kohta, siis mida suurem on nende osakeste arvu kõikumine, seda tundlikumalt peaksid nad reageerima välisele häiringule," rõhutab Schmitt. "Kahjuks on tavaliselt uuritud BEC-de arvu kõikumised ülikülmades aatomigaasides liiga väikesed, et seda seost testida." Prof dr Martin Weitzi uurimisrühm, mille raames Schmitt on noorem uurimisrühma juht, töötab aga footonitest koosnevate Bose-Einsteini kondensaatidega. Ja selle süsteemi puhul see piirang ei kehti. "Me paneme oma BEC-des olevad footonid interakteeruma värvimolekulidega," selgitab füüsik, kes võitis hiljuti Euroopa Liidu noortele teadlastele suure preemia, mida tuntakse ERC starditoetusena. Kui footonid interakteeruvad värvimolekulidega, juhtub sageli, et molekul "neelab" footoni. Värvaine muutub seeläbi energeetiliselt erutatud. See võib hiljem selle ergastusenergia vabastada, "sülitades välja" footoni.

Madala energiaga footoneid neelatakse alla harvemini

"Värvimolekulidega kokkupuute tõttu näitab meie BEC-de footonite arv suuri statistilisi kõikumisi," ütleb füüsik. Lisaks saavad teadlased täpselt kontrollida selle variatsiooni tugevust: katses on footonid lõksus kahe peegli vahel, kus need peegelduvad lauatennises edasi-tagasi. Peeglite vahekaugust saab muuta. Mida suuremaks see muutub, seda madalam on footonite energia. Kuna madala energiaga footonid ergastavad vähem tõenäoliselt värvainemolekuli (seega neelatakse neid harvemini alla), siis kondenseerunud valgusosakeste arv kõigub nüüd palju vähem. Bonni füüsikud uurisid nüüd, kuidas kõikumise ulatus on seotud BEC-i vastusega. Kui kõikumise-hajumise teoreem kehtib, peaks see tundlikkus kõikumise vähenedes vähenema. "Tegelikult suutsime seda efekti oma katsetes kinnitada," rõhutab Schmitt, kes on ka Bonni ülikooli transdistsiplinaarse uurimisvaldkonna (TRA) "Mater" ja tippklastri "ML4Q – Matter and" liige. Valgus kvantarvutite jaoks. Nagu vedelike puhul, on nüüd võimalik Bose-Einsteini kondensaatide mikroskoopilisi omadusi järeldada makroskoopiliste reaktsiooniparameetrite põhjal, mida saab hõlpsamini mõõta. "See avab võimaluse uutele rakendustele, nagu täpne temperatuuri määramine keerulistes fotoonsüsteemides, " ütleb Schmitt.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php