في تقرير نُشر مؤخرًا، أعلن فريق Will Lab بجامعة كولومبيا عن نجاحه في عبور عتبة BEC وإنشاء مكثف بوز-آينشتاين (BEC) لجزيئات NaCs عند درجة حرارة فائقة البرودة تبلغ 5 نانو كلفن (= 5 × 10-9 كلفن). كان المكثف الكمي الجزيئي مستقرًا بعمر حوالي ثانيتين. وهذا ينهي عدة عقود من السعي الطويل للحصول على BEC الجزيئي. وهذا إنجاز عظيم وعلامة فارقة في العلم.
ومن المعروف أن المادة ستكون في أي من الحالات الثلاث أي. صلبة أو سائلة أو غازية حسب الظروف الخارجية مثل درجة الحرارة والضغط. على سبيل المثال، ح2يوجد O على شكل ثلج أو ماء أو بخار في الظروف الخارجية العادية.
عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 6000-10,000 كلفن، تتأين المادة وتتحول إلى بلازما، وهي الحالة الرابعة للمادة.
ماذا ستكون حالة المادة إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا بالقرب من الصفر المطلق؟
في الفترة من 1924 إلى 25، قدم ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين تنبؤًا نظريًا بأنه إذا بوزون إذا تم تبريد الجسيمات (أي الكيانات ذات قيمة الدوران الصحيحة) إلى درجة حرارة منخفضة جدًا بالقرب من الصفر المطلق، فسوف تتجمع الجسيمات في كيان واحد أكبر له خصائص وسلوكيات مشتركة تحكمها قوانين ميكانيكا الكم. يُطلق على هذه الحالة اسم "تكاثف بوز-آينشتاين" (BEC)، ويُعتقد أنها الحالة الخامسة للمادة.
| حالات المادة | نطاق درجة حرارة الوجود |
| لحام بلازما | فوق 6000-10,000 كلفن |
| غاز | بالنسبة للمياه، فوق 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي العادي |
| سائل | للمياه، بين 4 درجات مئوية إلى 100 درجة مئوية |
| سوليد | للمياه، أدناه، 0 درجة مئوية |
| مكثف بوز-آيزنشتاين (BEC) | قرب الصفر المطلق حوالي 400 نانو كلكين للبوزونات الذرية حوالي 5 نانوكلفين للـ BCE الجزيئي {1 نانو كلفن (nK) = 10 -9 كلفن} الصفر المطلق = 0 كلفن = -273 درجة مئوية |
أصبح التنبؤ النظري لمكثف بوز-آينشتاين (BEC)، وهو الحالة الخامسة للمادة، حقيقة بعد ما يقرب من سبعة عقود في عام 1995 عندما قام إريك كورنيل وكارل وايمان بإنشاء أول مكثف بوز-آينشتاين في غاز من ذرات الروبيديوم، وبعد ذلك بوقت قصير، أنتج فولفغانغ كيترلي BEC في غاز ذرات الصوديوم. الثلاثي حصلوا بشكل مشترك على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2001″لتحقيق تكثيف بوز-آينشتاين في الغازات المخففة من الذرات القلوية، وللدراسات الأساسية المبكرة لخصائص المتكثفات".
الجدول الزمني للتقدم في علم الحالة الخامسة للمادة
| الإنجازات |
| 1924-25: التنبؤ النظري للحالة الخامسة للمادة. قدم ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين تنبؤًا نظريًا بأن مجموعة من جسيمات البوزون المبردة إلى درجة قريبة من الصفر المطلق سوف تتجمع في كيان فائق واحد أكبر له خصائص وسلوكيات مشتركة تمليها قوانين ميكانيكا الكم. |
| 1995: اكتشاف الحالة الخامسة للمادة – إنشاء أول بوز-آينشتاين ذرية. أصبح التنبؤ النظري لبوز وأينشتاين حقيقة بعد 70 عامًا عندما أنشأ إريك كورنيل وكارل وايمان أول بوز-آينشتاين في غاز من ذرات الروبيديوم، وبعد ذلك بوقت قصير، أنتج فولفغانغ كيترلي بوز-آينشتاين في غاز من ذرات الصوديوم. |
| BCES الجزيئية السعي وراء BCEs الجزيئية التي تتطلب تبريدًا فائقًا في النانو كلفن (10-9 كلفن) نطاق |
| 2008: ديبورا جين وجون يي تم تبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانو كلفن. |
| 2023: إيان ستيفنسون وآخرون أنشأ أول غاز فائق البرودة من جزيئات الصوديوم والسيزيوم (Na-Cs) عند درجة حرارة 300 نانو كلفن (nK) باستخدام مزيج من التبريد بالليزر والتلاعب المغناطيسي. |
| 2023: نيكولو بيجاجلي وآخرون استخدم الباحثون أفران الميكروويف لإطالة عمر غاز البوسونيك المكون من جزيئات الصوديوم والسيزيوم من بضعة ملي ثانية إلى أكثر من ثانية واحدة، وهي خطوة أولى حاسمة لتبريدها. ومع العينة التي دامت لفترة أطول، خفضوا درجة الحرارة إلى 36 نانو كلفن، وهي أقل بقليل من درجة الحرارة اللازمة للجزيئات لتكوين BEC. |
| 2024: نيكولو بيجاجلي وآخرون يخلق BEC من البوزونات الجزيئية (جزيئات NaCs) عند درجة حرارة شديدة البرودة تبلغ 5 نانو كلفن (nK) |
منذ الاكتشاف في عام 1995، تقوم المختبرات في جميع أنحاء العالم وفي محطة الفضاء الدولية (ISS) بشكل روتيني بتصنيع بوز-آينشتاين ذرية من أنواع مختلفة من الذرات.
جزيئي مكثفات Bose-Einstein (BEC)
الذرات بسيطة، نوع من الكيانات المستديرة بدون تفاعلات قطبية. ومن ثم، فقد فكر الباحثون دائمًا في تكوين مكثف بوز-آينشتاين (BEC) من الجزيئات. لكن إنشاء BECs حتى من جزيئات بسيطة مصنوعة من ذرتين من عناصر مختلفة لم يكن ممكنًا بسبب نقص التكنولوجيا اللازمة لتبريد الجزيئات إلى عدد قليل من النانو كلفن (nK) اللازم لتكوين BEC الجزيئي.
لقد عمل الباحثون في مختبر ويل بجامعة كولومبيا باستمرار على تطوير تكنولوجيا فائقة البرودة. وفي عام 2008، تمكنوا من تبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانو كلفن. لقد ساعد في إجراء عمليات المحاكاة الكمومية وفي دراسة التصادمات الجزيئية وكيمياء الكم ولكنه لم يتمكن من تجاوز عتبة BEC. في العام الماضي 2023، استخدموا الموجات الدقيقة لإطالة عمر غاز البوسونيك المكون من جزيئات الصوديوم والسيزيوم، وتمكنوا من تحقيق درجة حرارة أقل تبلغ 36 نانو كلفن والتي كانت أقرب إلى عتبة BEC.
في تقرير نُشر مؤخرًا، أعلن فريق Will Lab بجامعة كولومبيا عن نجاحه في عبور عتبة BEC وإنشاء مكثف بوز-آينشتاين (BEC) لجزيئات NaCs عند درجة حرارة فائقة البرودة تبلغ 5 نانو كلفن (= 5 × 10-9 كلفن). كان المكثف الكمي الجزيئي مستقرًا بعمر حوالي ثانيتين. وهذا ينهي عدة عقود من السعي الطويل للحصول على BEC الجزيئي. وهذا إنجاز عظيم وعلامة فارقة في العلم.
إن إنشاء مكثفات بوز-آينشتاين الجزيئية (BES) سيكون له أهمية طويلة المدى للبحث في فيزياء الكم الأساسية، والمحاكاة الكمومية، والميوعة الفائقة والموصلية الفائقة وابتكار تقنيات جديدة مثل نوع جديد من الكمبيوتر الكمي.
***
المراجع:
- Bigagli، N.، Yuan، W.، Zhang، S. et al. ملاحظة تكثيف بوز-آينشتاين للجزيئات ثنائية القطب. الطبيعة (2024). 03 يونيو 2024. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z نسخة ما قبل الطباعة في arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- جامعة كولومبيا 2024. أخبار الأبحاث – أبرد مختبر في نيويورك لديه عرض كمي جديد. تم النشر بتاريخ 03 يونيو 2024. متاح على https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. معلومات متقدمة عن جائزة نوبل في الفيزياء 2001 – تكثيف بوز-آينشتاين في الغازات القلوية. متواجد في https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- ناسا. الحالة الخامسة للمادة. متواجد في https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}