Tämä löytö avaa mahdollisuuksia kymmenille eksoottisten materiaalien sovelluksille.
Sisältö
1920-luvun puolivälissä kaksi fysiikan absoluuttista jättiläistä, Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein, esittivät teorian outon kvanttimateriaalin tilan olemassaolosta, joka myöhemmin nimettiin heidän kunniakseen: Bose-Einstein-kondensaatti (BEC). Nämä 1900-luvun nerot olettivat, että jos hiukkaset jäähdytetään erittäin alhaisiin lämpötiloihin – vain murto-osan asteen alle absoluuttisen nollapisteen (-273,15 °C) – ja pidetään alhaisessa tiheydessä, ne yhdistyvät erottamattomaksi kokonaisuudeksi.
Noin 70 vuotta myöhemmin tutkijat Coloradon yliopistosta Boulderissa todistivat Einsteinin ja Bosen olleen oikeassa. Siitä lähtien BEC:t ovat olleet tärkeä väline atomien kvanttiominaisuuksien tutkimuksessa, ja useat saavutukset – olipa kyse sitten hiukkasten edelleen jäähdyttämisestä tai kaksiatomisten molekyylien muodostumisesta – ovat tehneet niistä yhä hyödyllisempiä etsittäessä universumia hallitsevia perustavanlaatuisia fysiikan lakeja.
Kaikkien aikojen kylmin dipolinen Bose-Einstein-kondensaatti
Nyt Columbian yliopiston fyysikot ovat yhteistyössä Radboudin yliopiston kanssa Alankomaissa ottaneet seuraavan askeleen BEC-tutkimuksen satavuotisessa matkassa luomalla natrium-cesium-kondensaatin, jonka lämpötila on vain viisi nanokelviniä absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Vaikka lämpötila on vaikuttavan alhainen, tämän edistyksellisen fysiikan kokeen tärkein piirre on se, että saatu BEC on dipoli, eli sillä on sekä positiivinen että negatiivinen varaus.
Lehdistötiedotteen mukaan tiimi käytti aiemmin testattua menetelmää, jossa mikroaaltoja käytetään ”BEC-kynnyksen” ylittämiseen. Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature-lehdessä.
”Hallitsemalla näitä dipoli-vuorovaikutuksia toivomme voivamme luoda uusia kvanttitiloja ja aineen faaseja”, sanoi Columbian yliopiston tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittaja Jan Stevenson lausunnossaan.
Mikroaallot yhdistetään yleensä lämmitykseen, mutta tutkija Teijs Karman Radboudin yliopistosta esitti hypoteesin, että mikroaallot voivat toimia suojina, jotka suojaavat molekyylejä tuhoisilta törmäyksiltä, kun taas kuumat molekyylit poistuvat näytteestä, mikä luo yleisen jäähdytysvaikutuksen. Tiimi testasi mikroaaltotekniikkaa vuonna 2023, mutta tässä uudessa tutkimuksessa lisättiin toinen mikroaaltokenttä, joka osoittautui tehokkaammaksi halutun BEC:n (Bose-kondensaatin) luomisessa.
”Ymmärrämme todella vuorovaikutukset tässä järjestelmässä, mikä on erittäin tärkeää jatkotoimenpiteille, kuten moniosaisen dipolin fysiikan tutkimiselle”, sanoi Karman, tutkimuksen toinen kirjoittaja. ”Kehitimme vuorovaikutuksen hallintaohjelmia, testasimme niitä teoreettisesti ja toteutimme ne kokeellisesti. Oli uskomatonta nähdä, kuinka nämä mikroaaltosäteilyn ‘suojaus’ -ideat toteutuvat laboratorio-olosuhteissa.”
Kvanttifysiikan seuraukset ja uudet horisontit
Artikkelin mukaan tämän dipolisen BEC:n luominen avaa ovet monien muiden eksoottisten aineiden muotojen luomiselle, kuten eksoottisille dipolipisaroille, itseorganisoituville kiteisille faaseille ja spin-dipoli-nesteille optisissa hilissä. Mutta nämä ovat vain muutamia kymmenistä mahdollisista sovelluksista, joita tämä uusi BEC voi tarjota. Koska tämä koe mahdollistaa kvanttivaihteluiden tarkan hallinnan, sen vaikutus kvanttikemiaan voi olla merkittävä, sanoo Jun Ye, ultra-kylmien ilmiöiden asiantuntija Kalifornian yliopistosta Boulderissa.
Vähän tunnettu viides aineen olomuoto yllättää meitä edelleen yli vuosisata sen yllättävän ilmestymisen jälkeen fysiikan tieteen alalle.
