Skip links

Открит е нов екзотичен материал съставен от субатомни частици

Изследователи са открили нов екзотичен материал, съставен от бозони – субатомни частици, които могат да се намират в едно и също квантово състояние по едно и също време. Това първо по рода си откритие може да окаже голямо влияние върху разбирането ни за материята. Последствията са огромни – от решаването на фундаментални въпроси в сферата на квантовата физика до потенциални приложения в области като квантовите компютри и лазерните технологии.

Учените винаги търсят следващия материал, който би могъл да промени разбирането ни за материята и да помогне за разработването на нови технологии. Независимо дали става въпрос за подобряване на енергийната ефективност, създаване на по-мощни компютри или разгадаване на тайните на квантовата физика, откриването на нови материали играе жизненоважна роля. Сред тези материали особен интерес представляват материалите, съставени от субатомни частици, като например бозоните, поради уникалните им свойства и потенциала им за приложение в различни области на науката и технологиите.

Неотдавна екип от Калифорнийския университет в Санта Барбара и Националния институт по материалознание в Япония постигна значителен напредък в разбирането на материята на квантово ниво. Те са разработили екзотичен материал, съставен от бозони. Откритието е революционно, тъй като предлага нов поглед върху поведението на тези частици, които могат едновременно да заемат едно и също квантово състояние. Изследването е публикувано в списание Science.

Бозонният материал

Бозоните са клас субатомни частици, които се отличават със своя спин – вътрешно свойство, което определя поведението им в квантовите мащаби. За разлика от фермионите, които имат полуцял спин (напр. ½, 3/2, 5/2), и се подчиняват на принципа на Паули за изключване (което означава, че нито един фермион не може да бъде в едно и също квантово състояние с друг по едно и също време), бозоните имат цял спин и могат едновременно да бъдат в едно и също квантово състояние.

Водещият автор на научната работа Ченхао Джин обяснява в съобщение за пресата:

„Обикновено хората посвещават повечето си усилия на това да разберат какво се случва, когато много фермиони се съберат заедно.“ Той добавя: „Същността на нашата работа се състои в това, че ние по същество създадохме нов материал от взаимодействащи си бозони“.

По този начин изследователският екип, ръководен от професор Дейвид Уелд, е успял да създаде материал, съставен от бозони. Този материал е и „кондензат на Бозе-Айнщайн“ – състояние на материята, което се получава, когато бозоните се охладят до температура, близка до абсолютната нула. В това състояние бозоните се държат като една гигантска частица, което улеснява учените при тяхното изучаване.

По-конкретно, този уникален материал представлява високоорганизиран кристал от бозонни частици, наречени екситони. Създаването му е свързано с технологията за наслояване на два двуизмерни материала. Авторите са образували мрежа, като са наслоили слой от волфрамов диселенид и слой от волфрамов дисулфид. Двата слоя не са идеално подравнени, което създава ефект на моаре. Последният се появява, когато двете мрежи се припокриват под лек ъгъл на отместване, създавайки нов по-голям модел.

Моаре ефекта

С помощта на светлинен метод, наречен спектроскопия с помпена сонда, изследователите създават и изучават поведението на екситоните в своята система – електрони във волфрамовия дисулфид и „дупки“ във волфрамовия диселенид.

Необходимо е да се знае, че два фермиона – отрицателно зареден електрон и положително заредена противоположна „дупка“, в която може да има електрон – могат да се комбинират и да образуват екситон с пълен целочислен спин, който след това може да функционира и като частица.

Илюстрация на мрежовата конфигурация. WSe 2 = волфрамов диселенид. WS 2 = волфрамов дисулфид. С лилави сфери са обозначени дупките, а със сини сфери – електроните.

Създаването на това екзотично състояние на материята доказва, че моаре платформата и помпената спектроскопия могат да бъдат ефективен начин за създаване и изучаване на бозонни материали. Рейчън Сьонг, съавтор на изследването, обяснява:

„Създадохме платформата, защото нямахме много добър начин за изучаване на бозоните в реални материали. Въпреки че преди този проект екситоните бяха добре изучени, нямаше начин да ги накараме силно да взаимодействат помежду си“.

С помощта на този метод, казва Джийн, може не само да се изследват добре познати бозони, като екситоните, но и да се отворят нови прозорци към света на кондензираната материя с помощта на нови бозонни материали.

Този научен труд има огромно значение за физиката. Този нов материал може да помогне за решаването на някои от най-съкровените въпроси в квантовата физика, като например природата на свръхфлуидността и свръхпроводимостта.

Ако изследователите успеят да контролират и манипулират материалните състояния на материята, това може да има значение за квантовите компютри и лазерните технологии.

Да напомним, че миналата година екип от учени от Амстердам създаде първият в света стабилен атомен лазер. Лазерите създават кохерентни светлинни вълни, които са в перфектен синхрон в самия лазерен лъч. В същото време квантовата механика твърди, че частиците от рода на атомите също трябва да се разглеждат като вълни. Това означава, че е възможно да се създаде „атомен лазер„, състоящ се от кохерентни вълни от материя.

Атомният лазер също се базира на така нареченият Бозе-Айнщайн кондензат. В природата елементарните частици са разделени на два вида: фермиони и бозони. Фермионите са градивните елементи на веществата, от които сме съставени и ние. Бозоните са напълно различни и те например, могат да преминават един през друг. Към групата на бозоните са включени и фотоните. От друга страна, атомите могат да се държат и като бозони.


source

Този уебсайт използва бисквитки, за да подобри вашето уеб изживяване.
Начало
Виж
Плъзни