Fyysinen vaikutus pätee myös kvanttimaailmassa

20. tammikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Bonnin yliopiston fyysikot ovat kokeellisesti osoittaneet, että tilastollisen fysiikan tärkeä lause pätee niin kutsuttuihin "Bose-Einstein-kondensaatteihin". Niiden tulokset mahdollistavat nyt kvantti "superhiukkasten" tiettyjen ominaisuuksien mittaamisen ja järjestelmän ominaisuuksien päättelemisen, joita muuten olisi vaikea havaita. Tutkimus on nyt julkaistu v Fyysisen tarkastelun kirjaimet ("Fluktuaatio-häviösuhde fotonien Bose-Einstein-kondensaatille"). Oletetaan, että edessäsi on säiliö, joka on täytetty tuntemattomalla nesteellä. Tavoitteesi on selvittää, kuinka paljon siinä olevat hiukkaset (atomit tai molekyylit) liikkuvat edestakaisin satunnaisesti lämpöenergiansa vuoksi. Sinulla ei kuitenkaan ole mikroskooppia, jolla voisit visualisoida näitä "Brownin liikkeenä" tunnettuja asennon vaihteluita. Osoittautuu, että et tarvitse sitä ollenkaan: Voit myös yksinkertaisesti sitoa esineen naruun ja vetää sen nesteen läpi. Mitä enemmän voimaa sinun on käytettävä, sitä viskoosimpi neste on. Ja mitä viskoosimpi se on, sitä vähemmän nesteen hiukkaset muuttavat sijaintiaan keskimäärin. Viskositeettia tietyssä lämpötilassa voidaan siksi käyttää vaihtelujen laajuuden ennustamiseen. Fysikaalinen laki, joka kuvaa tätä perussuhdetta, on fluktuaatio-häviölause. Yksinkertaisesti sanottuna se sanoo: Mitä suurempaa voimaa sinun on käytettävä häiritäksesi järjestelmää ulkopuolelta, sitä vähemmän se myös vaihtelee satunnaisesti (eli tilastollisesti) itsestään, jos jätät sen rauhaan. "Olemme nyt ensimmäistä kertaa vahvistaneet lauseen pätevyyden erityiselle kvanttijärjestelmien ryhmälle: Bose-Einsteinin kondensaateille", selittää tohtori Julian Schmitt Bonnin yliopiston soveltavan fysiikan instituutista. Väriainemolekyylit (punaiset) voivat "niellä" fotonit (vihreät) ja myöhemmin "sylkeä" uudelleen. Mitä todennäköisemmin tämä on, sitä enemmän fotonien määrä vaihtelee. (Kuva: J. Schmitt, Bonnin yliopisto)

"Superfotoneja", jotka on valmistettu tuhansista valohiukkasista

Bose-Einstein-kondensaatit ovat eksoottisia aineen muotoja, jotka voivat syntyä kvanttimekaanisen vaikutuksen seurauksena: Tietyissä olosuhteissa hiukkaset, olivatpa ne atomeja, molekyylejä tai jopa fotoneja (hiukkasia, jotka muodostavat valon), muuttuvat erottamattomiksi. Monet sadat tai tuhannet niistä sulautuvat yhdeksi "superpartikkeliksi" - Bose-Einstein-kondensaatiksi (BEC). Nesteessä rajallisessa lämpötilassa molekyylit liikkuvat edestakaisin satunnaisesti. Mitä lämpimämpi neste, sitä selvempiä nämä lämmönvaihtelut ovat. Bose-Einstein-kondensaatit voivat myös vaihdella: Kondensoituneiden hiukkasten määrä vaihtelee. Ja tämä vaihtelu myös lisääntyy lämpötilan noustessa. "Jos fluktuaatio-häviölause koskee BEC:itä, mitä suurempi niiden hiukkasten lukumäärän vaihtelu on, sitä herkemmin niiden pitäisi reagoida ulkoiseen häiriöön", Schmitt korostaa. "Valitettavasti ultrakylmien atomikaasujen tavallisesti tutkittujen BEC-arvojen vaihtelut ovat liian pieniä tämän suhteen testaamiseksi." Professori tohtori Martin Weitzin tutkimusryhmä, jossa Schmitt on nuorempi tutkimusryhmän johtaja, työskentelee kuitenkin fotoneista valmistettujen Bose-Einstein-kondensaattien kanssa. Ja tässä järjestelmässä rajoitus ei koske. "Saamme BEC:issämme olevat fotonit olemaan vuorovaikutuksessa väriainemolekyylien kanssa", selittää fyysikko, joka voitti äskettäin Euroopan unionin nuorille tutkijoille arvostetun palkinnon, joka tunnetaan nimellä ERC Starting Grant. Kun fotonit ovat vuorovaikutuksessa väriainemolekyylien kanssa, tapahtuu usein, että molekyyli "nielee" fotonin. Väriaine innostuu siten energisesti. Se voi myöhemmin vapauttaa tämän viritysenergian "sylkemällä" fotonin.

Matalaenergiset fotonit niellään harvemmin

"Väriainemolekyylien kosketuksesta johtuen fotonien määrä BEC:issämme osoittaa suuria tilastollisia vaihteluita", fyysikko sanoo. Lisäksi tutkijat voivat tarkasti ohjata tämän muunnelman voimakkuutta: Kokeessa fotonit jäävät kahden peilin väliin, missä ne heijastuvat edestakaisin pingispelin tapaan. Peilien välistä etäisyyttä voidaan muuttaa. Mitä suuremmaksi se tulee, sitä pienempi on fotonien energia. Koska matalaenergiset fotonit virittävät vähemmän todennäköisemmin väriainemolekyyliä (niin ne niellään harvemmin), kondensoituneiden valohiukkasten määrä vaihtelee nyt paljon vähemmän. Bonnin fyysikot tutkivat nyt, kuinka vaihtelun laajuus liittyy BEC:n "vasteeseen". Jos fluktuaatio-häviölause pitää paikkansa, tämän herkkyyden pitäisi pienentyä, kun vaihtelu pienenee. "Itse asiassa pystyimme vahvistamaan tämän vaikutuksen kokeissamme", korostaa Schmitt, joka on myös Bonnin yliopiston poikkitieteellisen tutkimusalueen (TRA) "Matter" ja huippuyksikkö "ML4Q – Matter and" jäsen. Valoa kvanttilaskentaan." Kuten nesteidenkin kohdalla, Bose-Einstein-kondensaattien mikroskooppiset ominaisuudet on nyt mahdollista päätellä makroskooppisista vasteparametreista, jotka voidaan mitata helpommin. "Tämä avaa tien uusille sovelluksille, kuten tarkkaan lämpötilan määritykseen monimutkaisissa fotonijärjestelmissä", Schmitt sanoo.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php