A fizikai hatás a kvantumvilágban is érvényes

20. január 2023. (Nanowerk News) A Bonni Egyetem fizikusai kísérletileg bebizonyították, hogy a statisztikai fizika egyik fontos tétele érvényes az úgynevezett „Bose-Einstein kondenzátumokra”. Eredményeik most lehetővé teszik a kvantum „szuperrészecskék” bizonyos tulajdonságainak mérését, és olyan rendszerjellemzők levezetését, amelyeket egyébként nehéz lenne megfigyelni. A tanulmányt most tették közzé Fizikai áttekintés betűk („Fluktuáció-disszipáció kapcsolat a fotonok Bose-Einstein kondenzátumához”). Tegyük fel, hogy előtted van egy ismeretlen folyadékkal töltött tartály. A cél az, hogy megtudd, mennyivel mozognak véletlenszerűen ide-oda a benne lévő részecskék (atomok vagy molekulák) hőenergiájuk miatt. Azonban nincs mikroszkópja, amellyel ezeket a „Brown-mozgásnak” nevezett pozícióingadozásokat megjeleníthetné. Kiderült, hogy erre egyáltalán nincs szükséged: Egyszerűen kötözhetsz egy tárgyat egy madzaghoz, és áthúzhatod a folyadékon. Minél nagyobb erőt kell alkalmazni, annál viszkózusabb a folyadék. És minél viszkózusabb, annál kevésbé változtatják átlagosan a folyadékban lévő részecskék helyzetüket. Az adott hőmérsékleti viszkozitás tehát felhasználható az ingadozások mértékének előrejelzésére. Ezt az alapvető összefüggést leíró fizikai törvény a fluktuáció-disszipáció tétel. Egyszerű szavakkal leírva: Minél nagyobb erőt kell kifejtenie egy rendszer kívülről történő megzavarásához, annál kevésbé fog véletlenszerűen (azaz statisztikailag) ingadozni önmagában, ha magára hagyja. „Most először igazoltuk a tétel érvényességét a kvantumrendszerek egy speciális csoportjára: a Bose-Einstein kondenzátumokra” – magyarázza Dr. Julian Schmitt, a Bonni Egyetem Alkalmazott Fizikai Intézetének munkatársa. A fotonokat (zöld) a festékmolekulák (piros) „lenyelhetik”, majd később újra „kiköphetik”. Minél valószínűbb ez, annál inkább ingadozik a fotonszám. (Kép: J. Schmitt, Bonni Egyetem)

Több ezer fényrészecskéből álló „szuperfotonok”.

A Bose-Einstein kondenzátumok az anyag egzotikus formái, amelyek kvantummechanikai hatás következtében keletkezhetnek: Bizonyos körülmények között a részecskék, legyenek azok atomok, molekulák vagy akár fotonok (a fényt alkotó részecskék), megkülönböztethetetlenné válnak. Sok száz vagy ezrek egyesülnek egyetlen „szuperrészecskévé” – a Bose-Einstein kondenzátummá (BEC). Egy véges hőmérsékletű folyadékban a molekulák véletlenszerűen mozognak ide-oda. Minél melegebb a folyadék, annál hangsúlyosabbak ezek a hőingadozások. A Bose-Einstein kondenzátumok is ingadozhatnak: A kondenzált részecskék száma változó. És ez az ingadozás a hőmérséklet emelkedésével is nő. "Ha a fluktuáció-disszipáció tétele vonatkozik a BEC-ekre, minél nagyobb a részecskeszámuk ingadozása, annál érzékenyebben kell reagálniuk a külső zavarokra" - hangsúlyozza Schmitt. "Sajnos az általában vizsgált BEC-k ​​számának ingadozása az ultrahideg atomgázokban túl kicsi ahhoz, hogy teszteljék ezt az összefüggést." Prof. Dr. Martin Weitz kutatócsoportja, amelyen belül Schmitt fiatalabb kutatócsoport-vezető, fotonokból álló Bose-Einstein kondenzátumokkal dolgozik. És erre a rendszerre a korlátozás nem vonatkozik. „A BEC-einkben lévő fotonokat kölcsönhatásba hozzuk a festékmolekulákkal” – magyarázza a fizikus, aki nemrégiben elnyerte az Európai Unió fiatal tudósai számára kitüntetett, ERC Starting Grant néven ismert díjat. Amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek a festékmolekulákkal, gyakran előfordul, hogy egy molekula „lenyel” egy fotont. A festék ezáltal energikusan izgat. Később fel tudja szabadítani ezt a gerjesztési energiát egy foton „kiköpésével”.

Az alacsony energiájú fotonokat ritkábban nyeljük le

„A festékmolekulákkal való érintkezés miatt a BEC-einkben lévő fotonok száma nagy statisztikai ingadozást mutat” – mondja a fizikus. Ezen túlmenően a kutatók pontosan szabályozhatják ennek a variációnak az erősségét: a kísérlet során a fotonok két tükör közé szorulnak, ahol ping-pong játékszerűen vissza-visszaverődnek. A tükrök közötti távolság változtatható. Minél nagyobb lesz, annál kisebb a fotonok energiája. Mivel az alacsony energiájú fotonok kevésbé valószínű, hogy gerjesztenek egy festékmolekulát (így ritkábban nyelődnek le), a kondenzált fényrészecskék száma ma már sokkal kevésbé ingadozik. A bonni fizikusok most azt vizsgálták, hogy a fluktuáció mértéke hogyan függ össze a BEC „válaszával”. Ha a fluktuáció-disszipáció tétel fennáll, ennek az érzékenységnek csökkennie kell a fluktuáció csökkenésével. „Valójában ezt a hatást kísérleteinkben meg tudtuk erősíteni” – hangsúlyozza Schmitt, aki a Bonni Egyetem Transzdiszciplináris Kutatási Területének (TRA) „Matter” és az „ML4Q – Matter and Excellence Cluster of Excellence” tagja is. Fény a kvantumszámítástechnikához.” A folyadékokhoz hasonlóan a Bose-Einstein kondenzátumok mikroszkopikus tulajdonságaira is következtetni lehet a könnyebben mérhető makroszkopikus válaszparaméterekből. „Ez utat nyit új alkalmazások előtt, mint például a precíz hőmérséklet-meghatározás összetett fotonikus rendszerekben” – mondja Schmitt.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php