Квантовые объекты, видимые невооруженным глазом
Квантовая механика говорит нам, что объекты демонстрируют не только поведение, подобное частицам, но и волнообразное поведение с длиной волны, обратно пропорциональной скорости объекта. Обычно такое поведение можно наблюдать только на атомных масштабах длины. Однако есть одно важное исключение: с бозонами, частицами определенного типа, которые могут быть объединены в большом количестве в одном и том же квантовом состоянии, можно образовывать квантовые объекты макроскопического масштаба, называемые конденсатами Бозе-Эйнштейна.
Они лежат в основе некоторых самых захватывающих явлений квантовой физики, таких как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Их научное значение настолько велико, что их создание, спустя почти 70 лет после появления теории, принесло исследователям Эрику Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле и Карлу Виману Нобелевскую премию по физике в 2001 году.
Ловушка для квазичастиц полусвета, полуматерии
Приведение частиц в одно и то же состояние для получения конденсата обычно требует снижения температуры до уровня, близкого к абсолютному нулю: условия достижимы только с помощью сложных лабораторных методов и дорогостоящего криогенного оборудования.
«В отличие от проводимых до настоящего времени работ, в которых в основном использовались ультрахолодные атомарные газы, наши исследования позволяют проводить всесторонние исследования конденсации в системах с конденсированным веществом в условиях окружающей среды», – поясняет г-н.
Даскалакис. Он отмечает, что это ключевой шаг к реализации физических проектов, которые в настоящее время остаются чисто теоретическими.
Чтобы произвести конденсат при комнатной температуре, группа исследователей из Политехнического колледжа и Имперского колледжа впервые создала устройство, которое делает возможным существование поляритонов – гибридных квазичастиц, которые частично являются светом, а частично материей.
Устройство состоит из пленки органических молекул толщиной 100 нанометров, заключенных между двумя почти идеальными зеркалами. Конденсат создается, сначала возбуждая достаточное количество поляритонов с помощью лазера, а затем наблюдая через синий свет, который он излучает.
Его размеры могут быть сопоставимы с человеческими волосами, гигантскими размерами в квантовом масштабе.
«На сегодняшний день в большинстве поляритонных экспериментов по-прежнему используются сверхчистые кристаллические полупроводники», – говорит профессор Кена-Коэн. «Наша работа демонстрирует, что можно получить сопоставимое квантовое поведение, используя« нечистые »и неупорядоченные материалы, такие как органические молекулы. Это имеет то преимущество, что позволяет значительно упростить и удешевить изготовление."
Размер конденсата является ограничивающим фактором
Помимо прямого наблюдения за волнообразным поведением органического поляритонного конденсата, эксперимент показал исследователям, что в конечном итоге размер конденсата не может превышать примерно 100 микрометров. За этим пределом конденсат начинает разрушаться, фрагментируя и создавая вихри.
На пути к поляритонным лазерам и оптическим транзисторам будущего
В конденсате все поляритоны ведут себя одинаково, как фотоны в лазере.
Изучение конденсатов при комнатной температуре открывает путь для будущих технологических прорывов, таких как поляритонные микролазеры с использованием недорогих органических материалов, которые более эффективны и требуют меньшей мощности активации, чем обычные лазеры. Еще одно возможное применение – мощные транзисторы, полностью питаемые от света.
Исследовательская группа предвидит, что следующей серьезной проблемой при разработке таких приложений будет получение более низкого порога конденсации частиц, чтобы внешний лазер, используемый для накачки, можно было заменить более практичной электрической накачкой.
Благодатная почва для изучения фундаментальных вопросов
По словам профессора Майера, это исследование также создает платформу для изучения фундаментальных вопросов квантовой механики. «Это связано со многими современными и увлекательными аспектами физики многих тел, такими как конденсация Бозе-Эйнштейна и сверхтекучесть, темы, которые также интересуют широкую публику», – отмечает он.
Профессор Кена-Коэн заключает: «Например, одним интересным аспектом является необычный переход между состоянием неконденсированных частиц и образованием конденсата. В малом масштабе физика этого перехода напоминает важный шаг в формировании Вселенной после Большого взрыва."
Это исследование получило поддержку Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC), The Leverhulme Trust и Совета по инженерным и физическим исследованиям (EPSRC) Соединенного Королевства.