חוקרים מאוניברסיטת קולומביה יצרו קונדנסט של Bose-Einstein (BEC) באמצעות מולקולות נתרן-צזיום, מקורר לחמישה ננו-קלווין בלבד ויציב למשך שתי שניות. הישג זה פותח אפשרויות לחקר תופעות קוונטיות שונות והדמיית תכונות קוונטיות של חומרים מורכבים. קרדיט: twoday.co.il.com
פיזיקאים ב אוניברסיטת קולומביה לקחו מולקולות לגבול אולטרה-קר חדש ויצרו מצב של חומר שבו מכניקת הקוונטים שולטת.
יש BEC חדש וחם בעיר שאין לו שום קשר לבייקון, ביצה וגבינה. לא תמצאו אותו בבודגה המקומית שלכם, אלא במקום הכי קר בניו יורק: המעבדה של הפיזיקאי מקולומביה סבסטיאן וויל, שקבוצת הניסויים שלו מתמחה בדחיפת אטומים ומולקולות לטמפרטורות רק שברירי מעלה מעל. אפס מוחלט.
כתיבה ב טֶבַעמעבדת Will, הנתמכת על ידי משתף הפעולה התיאורטי Tijs Karman מאוניברסיטת Radboud בהולנד, יצרה בהצלחה מצב קוונטי ייחודי של חומר הנקרא Bose-Einstein Condensate (BEC) מתוך מולקולות.
פריצת דרך בקונדנסטים של Bose-Instein
BEC שלהם, מקורר לחמישה ננו-קלווין בלבד, או בערך -459.66 מעלות צלזיוס, ויציב למשך שתי שניות ארוכות להפליא, עשוי ממולקולות נתרן-צזיום. כמו מולקולות מים, מולקולות אלו הן קוטביות, כלומר הן נושאות מטען חיובי ושלילי כאחד. ההתפלגות הלא מאוזנת של המטען החשמלי מאפשרת את האינטראקציות ארוכות הטווח שמייצרות את הפיזיקה המעניינת ביותר, ציין וויל.
המחקר שמעבדת הרצון נלהבת להמשיך עם ה-BEC המולקולריים שלהם כולל חקר מספר תופעות קוונטיות שונות, כולל סוגים חדשים של נזילות-על, מצב של חומר שזורם מבלי לחוות חיכוך כלשהו. הם גם מקווים להפוך את ה-BEC שלהם לסימולטורים שיכולים ליצור מחדש את התכונות הקוונטיות החידתיות של חומרים מורכבים יותר, כמו גבישים מוצקים.
בעזרת גלי מיקרו, הפיזיקאים של קולומביה יצרו קונדנסט Bose-Einstein, מצב ייחודי של חומר, ממולקולות נתרן-צזיום. קרדיט: וויל לאב, אוניברסיטת קולומביה/מיילס מרשל
"עיבוי Bose-Einstein מולקולרי פותח תחומי מחקר חדשים לגמרי, מהבנת פיזיקה בסיסית באמת ועד לקידום הדמיות קוונטיות חזקות", אמר. "זהו הישג מרגש, אבל זו באמת רק ההתחלה".
זה הגשמת חלום עבור מעבדת וויל וכזו שכבר עשרות שנים בהתהוות עבור קהילת המחקר האולטרה-קר גדולה יותר.
מולקולות אולטרה-קרות, מאה בהתהוות
המדע של BECs חוזר מאה שנים אחורה לפיסיקאים סאטנדרה נאת' בוזה ואלברט איינשטיין. בסדרה של מאמרים שפורסמו ב-1924 וב-1925, הם חזו שקבוצת חלקיקים שהתקררה עד כמעט קיפאון תתלכד לכדי ישות-על אחת וגדולה יותר עם תכונות והתנהגויות משותפות המוכתבות על ידי חוקי מכניקת הקוונטים. אם ניתן היה ליצור BECs, הם היו מציעים לחוקרים פלטפורמה מפתה לחקור את מכניקת הקוונטים בקנה מידה נסבל יותר מאשר אטומים או מולקולות בודדות.
זה לקח בערך 70 שנה מהתחזיות התיאורטיות הראשונות האלה, אבל ה-BEC האטומי הראשון נוצרו בשנת 1995. ההישג הוכר עם פרס נובל לפיזיקה בשנת 2001, בדיוק בזמן שוויל התחיל את דרכו בפיזיקה באוניברסיטת מיינץ בגרמניה. מעבדות מייצרות כעת BECs אטומיים באופן שגרתי מכמה סוגים שונים של אטומים. BECs אלה הרחיבו את הבנתנו במושגים כמו אופי הגל של החומר והנוזלים העל והובילו לפיתוח טכנולוגיות כגון מיקרוסקופים גז קוונטיים וסימולטורים קוונטיים, אם להזכיר כמה.
משמאל לימין: מדען מחקר שותף איאן סטיבנסון; דוקטורנט ניקולו ביגגלי; סטודנט לדוקטורט Weijun Yuan; סטודנט לתואר ראשון בוריס בולאטוביץ'; דוקטורנט סיווי ג'אנג; והחוקר הראשי סבסטיאן וויל. לא מוצג: Tijs Karman. קרדיט: אוניברסיטת קולומביה
אבל אטומים הם, בתוכנית הגדולה של הדברים, פשוטים יחסית. הם חפצים עגולים ולרוב אינם כוללים אינטראקציות שעלולות לנבוע מקוטביות. מאז התממשו ה-BECs האטומיים הראשונים, מדענים רצו ליצור גרסאות מסובכות יותר העשויות ממולקולות. אבל אפילו מולקולות דו-אטומיות פשוטות העשויות משני אטומים של יסודות שונים המחוברים זה לזה, התבררו כבעייתיות להתקרר מתחת לטמפרטורה הדרושה ליצירת BEC תקין.
פריצת הדרך הראשונה הגיעה ב-2008 כאשר דבורה ג'ין וג'ון יה, פיזיקאים ב-JILA בבולדר, קולורדו, קיררו גז של מולקולות אשלגן-רובידיום עד לכ-350 ננו-קלווין. מולקולות אולטרה קרות כאלה הוכיחו את עצמן כשימושיות לביצוע הדמיות קוונטיות ולחקר התנגשויות מולקולריות וכימיה קוונטית בשנים האחרונות, אך כדי לחצות את סף BEC, היה צורך בטמפרטורות נמוכות עוד יותר.
בשנת 2023, מעבדת וויל יצרה את הגז האולטרה-קר הראשון של מולקולת הבחירה שלהם, נתרן-צסיום, תוך שימוש בשילוב של קירור לייזר ומניפולציות מגנטיות, בדומה לגישה של ג'ין ו-Ye. כדי להתקרר, הביאו מיקרוגלים.
חידושים עם מיקרוגלים
גלי מיקרו הם סוג של קרינה אלקטרומגנטית עם היסטוריה ארוכה בקולומביה. בשנות ה-30, הפיזיקאי איזידור אייזק רבי, שימשיך לקבל את פרס נובל לפיזיקה, עשה עבודה חלוצית בנושא גלי מיקרו שהובילו לפיתוח מערכות מכ"ם מוטסות. "רבי היה מהראשונים לשלוט במצבים הקוונטיים של מולקולות והיה חלוץ בחקר המיקרוגל", אמר וויל. "העבודה שלנו עוקבת אחר המסורת הזו בת 90 שנה".
למרות שאתה אולי מכיר את תפקידם של מיקרוגלים בחימום האוכל שלך, מסתבר שהם יכולים גם להקל על הקירור. למולקולות בודדות יש נטייה להיתקל אחת בשנייה, וכתוצאה מכך, יוצרות קומפלקסים גדולים יותר שנעלמים מהדגימות. מיקרוגלים יכולים ליצור מגנים קטנים סביב כל מולקולה שמונעים מהם להתנגש, רעיון שהוצע על ידי קרמן, משתף הפעולה שלהם בהולנד. עם המולקולות מוגנות מפני התנגשויות אובדן, רק את החמות ביותר ניתן להסיר מהדגימה באופן מועדף – אותו עקרון פיזיקה שמצנן את כוס הקפה שלך כשאתה נושף לאורך החלק העליון שלו, הסביר הסופר ניקולו ביגגלי. המולקולות שיישארו יהיו קרירות יותר, והטמפרטורה הכוללת של הדגימה תרד.
הצוות התקרב ליצירת BEC מולקולרית בסתיו האחרון בעבודה שפורסמה ב פיזיקת הטבע שהציגה את שיטת המיגון במיקרוגל. אבל טוויסט ניסיוני נוסף היה הכרחי. כשהם הוסיפו שדה מיקרוגל שני, הקירור נעשה יעיל עוד יותר, ונתרן-צזיום חצה לבסוף את סף BEC – מטרה שמעבדת וויל עמדה בו מאז פתיחתה בקולומביה ב-2018.
"זו הייתה סגירה פנטסטית עבורי", אמר ביגגלי, שסיים את לימודי הדוקטורט בפיזיקה באביב והיה חבר מעבדה מייסד. "עברנו מחוסר הקמה של מעבדה עד לתוצאות המדהימות האלה."
בנוסף להפחתת התנגשויות, שדה המיקרוגל השני יכול גם לתפעל את כיוון המולקולות. זה בתורו אמצעי לשלוט על אופן האינטראקציה שלהם, שהמעבדה בוחנת כעת. "על ידי שליטה באינטראקציות הדו-קוטביות הללו, אנו מקווים ליצור מצבים קוונטיים ושלבים חדשים של החומר", אמר מחבר שותף ופוסט דוקטורט של קולומביה, איאן סטיבנסון.
עולם חדש לפיזיקה קוונטית נפתח
יה, חלוץ המדע האולטרה-קר המבוסס בבולדר, רואה בתוצאות פיסת מדע יפה. "לעבודה יהיו השפעות חשובות על מספר תחומים מדעיים, כולל חקר כימיה קוונטית וחקירה של חומרים קוונטיים בעלי מתאם חזק", אמר. "הניסוי של וויל כולל שליטה מדויקת באינטראקציות מולקולריות כדי לכוון את המערכת לתוצאה רצויה – הישג נפלא בטכנולוגיית בקרת קוונטים."
צוות קולומביה, בינתיים, נרגש לקבל תיאור תיאורטי של אינטראקציות בין מולקולות אשר אושרו בניסוי. "יש לנו באמת מושג טוב על האינטראקציות במערכת הזו, שהיא קריטית גם לשלבים הבאים, כמו חקירת פיזיקה דו-קוטבית של גופים רבים", אמר קרמן. "המצאנו תוכניות לשליטה באינטראקציות, בדקנו אותן בתיאוריה ויישמנו אותן בניסוי. זו הייתה באמת חוויה מדהימה לראות את הרעיונות האלה ל'מיגון' מיקרוגל מתממשים במעבדה."
ישנן עשרות תחזיות תיאורטיות שניתן לבדוק כעת בניסוי עם ה-BECs המולקולריים, שהכותב הראשון והסטודנט לדוקטורט Siwei Zhang ציין שהם יציבים למדי. רוב הניסויים האולטרה-קרים מתרחשים תוך שנייה – חלקם קצרים כמו אלפיות שנייה בודדות – אבל ה-BECs המולקולריים של המעבדה נמשכים למעלה משתי שניות. "זה באמת יאפשר לנו לחקור שאלות פתוחות בפיזיקה קוונטית", אמר.
רעיון אחד הוא ליצור גבישים מלאכותיים עם ה-BEC הכלואים בסריג אופטי העשוי מלייזרים. זה יאפשר הדמיות קוונטיות חזקות המחקות את האינטראקציות בגבישים טבעיים, ציין וויל, שהוא אזור מיקוד של פיזיקת החומר המעובה. סימולטורים קוונטיים מיוצרים באופן שגרתי עם אטומים, אבל לאטומים יש אינטראקציות קצרות טווח – הם למעשה צריכים להיות זה על גבי זה – מה שמגביל את מידת היכולת שלהם לדגמן חומרים מסובכים יותר. "ה-BEC המולקולרית תציג יותר טעם," אמר וויל.
זה כולל מימדיות, אמר מחבר ראשון וסטודנט לדוקטורט Weijun Yuan. "אנחנו רוצים להשתמש ב-BECs במערכת דו-ממדית. כשאתה עובר מתלת מימד לשני מימדים, אתה תמיד יכול לצפות לפיזיקה חדשה שתצוץ", אמר. חומרים דו מימדיים הם תחום מחקר מרכזי בקולומביה; מערכת מודל העשויה מ-BEC מולקולריים יכולה לעזור לוויל ולעמיתיו לחומר המעובה לחקור תופעות קוונטיות כולל מוליכות-על, נזילות-על ועוד.
"נראה כאילו עולם חדש של אפשרויות נפתח", אמר וויל.
