новости космоса
19076 29
16 июня 2020 23:18:09

Физики создают экзотическую «пятую форму материи» на борту МКС

Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Nature, физики из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения создали редкое квантовое состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) в космосе. Физики сделали это, разместив компактную экспериментальную установку размером с мини-холодильник на борту Международной космической станции (МКС). Она называется Лаборатория холодного атома (CAL), иначе говоря, «самое крутое место во вселенной».

Название BEC идет в честь Альберта Эйнштейна и индийского физика Сатьендры Бозе, которые в 1920-х годах предсказывали возможность того, что волнообразная природа атомов может позволить атомам распространяться и перекрываться, если они упакованы достаточно близко друг к другу. При нормальной температуре атомы действуют как бильярдные шары, отскакивая друг от друга. Понижение температуры снижает их скорость. Если температура становится достаточно низкой (миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля), и атомы достаточно плотно упакованы, волны разных веществ смогут «чувствовать» друг друга и координировать себя, как если бы они были одним большим «суператомом».

Физики Эрик Корнелл и Карл Виман, работавшие в то время в лаборатории JILA Университета Колорадо, создали первый BECs в лаборатории в 1995 году. Используя лазерную ловушку, они охлаждали около 10 миллионов атомов газа рубидия; охлажденные атомы удерживались на месте магнитным полем. Но атомы все еще не были достаточно холодными, чтобы образовать BEC, поэтому они добавили второй шаг, испарительное охлаждение, в котором сеть магнитных полей координируется, чтобы выбить самые горячие атомы, чтобы более холодные атомы могли подойти ближе друг к другу. Этот процесс работает во многом так же, как испарительное охлаждение происходит с вашей утренней чашкой кофе - более горячие атомы поднимаются к вершине магнитной ловушки и "выпрыгивают" в виде пара.

К сентябрю 2001 года более трех десятков команд повторили эксперимент. Это открытие положило начало совершенно новой отрасли физики. BEC позволяют ученым изучать странный, маленький мир квантовой физики, как если бы они смотрели на него через увеличительное стекло; BEC "усиливает" атомы так же, как лазер усиливает фотоны. Виман, Корнелл и Вольфганг Кеттерле разделили Нобелевскую премию по физике 2001 года за свои достижения.

Немецкий эксперимент MAIUS 1 (Интерферометрия Материнской Волны в Микрогравитации) создал BEC в космосе в 2017 году, во время шестиминутной фазы микрогравитационного полета на борту зондирующей ракеты. Лабораторное оборудование, необходимое для создания BEC на Земле, занимает менее 1 м3, а для его работы требуется всего около 510 Вт, что делает его идеальным для экспериментов на МКС. Инструмент CAL был установлен на борту в мае 2018 года. В настоящее время установка использует атомы рубидия для создания BEC, но есть планы включить атомы калия в смесь для изучения физики смешанных BEC.

Это значительное достижение, потому что BEC, созданные в космосе, работают дольше, чем в наземных лабораториях, даже после того, как замкнутые ловушки отключаются, что дает физикам немного больше времени для изучения экзотического состояния вещества - на одну секунду, по сравнению с долями секунды на Земле. Как объясняет Нил Патель в «Обзоре технологий».

Чтобы проводить эксперименты с использованием BEC, нам необходимо выключить или отпустить магнитную ловушку. Облако атомов будет расширяться, что полезно, потому что BEC должны оставаться холодными, а газы, как правило, охлаждаются при расширении. Но если атомы в BEC слишком далеко друг от друга, они больше не ведут себя как конденсат. Тут микрогравитация низкой околоземной орбиты вступает в игру. Если вы попытаетесь увеличить объем на Земле, говорит физик JPL Дэвид Эвелин, соавтор недавней статьи в Nature, гравитация просто потянет атомы в центре облака BEC вниз к дну ловушки, пока они не прольются наружу, искажая конденсат или полностью разрушая его.

Но в условиях микрогравитации инструменты в CAL могут удерживать атомы вместе даже при увеличении объема ловушки. Это делает конденсат более долгоживущим, что, в свою очередь, позволяет ученым изучать его дольше, чем они могли бы делать это на Земле (первоначальная демонстрация длилась 1,118 секунды, хотя цель состоит в том, чтобы иметь возможность исследовать облако в течение 10 секунд).

"Мы будем проводить эксперименты BEC ежедневно, в течение многих часов в день", - сказала Эвелин. Инструмент полностью управляется дистанционно. Мы запускаем его с компьютеров на Земле".

Первоначально предполагалось, что CAL проработает около года, прежде чем потребуются запасные части, но астронавты МКС - особенно Кристина Кох - выполняли важнейшее техническое обслуживание, чтобы продлить срок его службы. Инструмент работает уже целых два года. Среди последних усовершенствований - атомный интерферометр, который может использовать BEC к для измерения любых изменений гравитации на поверхности планеты. BEC также может в конечном итоге обнаружить аксионы, теоретически холодную частицу темной материи, или использоваться для поиска источников темной энергии.

«В прошлом наше главное понимание внутренней работы природы было получено от ускорителей частиц и астрономических обсерваторий», - сказал соавтор Роберт Томпсон из Caltech. «Я считаю, что в будущем точные измерения с использованием холодных атомов будут играть все более важную роль».


(Добавил: AndromedO)

комментарии
1
Nablydatel86 · 16-06-2020

Очень интересная штука.
Напоминает, сегодня наблюдал, обтекание более твёрдой основы потоком горячего языка пламени.
Независимо от формы основы, форма языка стремится к форме окружности.

2
dengess190 · 17-06-2020

Микро-гравитация для того чтобы ВЕС не разлился на палубу? Очень хорошо.
Но что если пойти противным путём (гипотетически):
Пролить ВЕС в супер-гравитацию - сингулярность ЧД как идеальный концентратор для ВЕС?

3
Nablydatel86 · 17-06-2020

Смысл - в минимальных воздействиях, а вы предлагаете обратное :)

4
dengess190 · 17-06-2020

Вообще, описанный "супер-атом" напоминает мне предполагаемое состояние вещества в сингулярности - сверхплотность.

5
dengess190 · 17-06-2020

Nablydatel, смысл в уплотнении атомов один в другой. А "минимальные воздействия" тут лишь для того чтобы остудить и сблизить атомы для уплотнения. То есть методика, а не смысл. Я лишь рассмотрел сингулярность как ещё одну методику.

6
Nablydatel86 · 17-06-2020

Как назови dengess1 яхту, так она и поплывёт :-).
Вопрос №1, вокруг чего они уплотняются?
.
Вообще-то, в данной статье мною замечена точка(а то и две-три) пересечения, с числом t = 0.0036655748171079460987516550409251, где имеется переход некоего объёма в плоскость.
Сдавите шар равномерно, и в сухом остатке получите на одномерной плоскости - окружность. Под это описание попадает ваш к.2.

7
Nablydatel86 · 17-06-2020

Возьмём массу, предполагаемого центрального тела, центра галактики = 2000000 солнечных.
Исходя из равных(гипотетически) условий получим 758964184000000 км/ на 1 парсек = 24.6.
Что каким-то загадочным образом очень близко к периоду вращения Солнца.

8
nazar23 · 17-06-2020

///Если температура становится достаточно низкой они были одним большим «суператомом» ///
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Понижением температуры на миллиардные доли абс.нуля, они отняли энергию атома из сгустка энергии, что находится вокруг чд(ядро) атома. В результате вес оставшейся энергия скомковалась в общий единый комок энергии с абс.нулем в центре. Если бы смогли ещё понизит температуру до абс.ноль, тогда вся энергия атома превратилась бы в ноль, то есть атом исчезнет, превращаясь в "ничто".
Образования атомов, также имеет обратный характер, из "ничего", то есть из абс.нуля и из малой порции сгустка энергии(электронное облако) вокруг малой чд(ядро), образуется атом, что и происходит на данный момент внутри солнца, где есть оба составляющих и абс.ноль(чд) и вокруг энергия(плазма). К стати у нас под ногами в недрах Земли тоже идет такой процесс. /ятд/

9
r0bin12 · 17-06-2020

"Эйнштейн и Бозе, предсказывали, что волнообразная природа атомов может позволить атомам распространяться и перекрываться".
--
А что именно значит это "распространяться и перекрываться"? Особенно второе.

10
dengess190 · 17-06-2020

Видимо как и у фотонов. Хрн знает.

11
JamesWebb39 · 17-06-2020

Свойств этого состояния ни Эйнштейном, ни Бозе предсказано не было? Что оно даёт это состояние?

12
puzzler38 · 17-06-2020

Это, наверное, как волны от двух камней, брошенных в воду недалеко друг от друга, пересекаются между собой.
Так и атомы (в виде волны) проходят один сквозь другого.

13
dengess190 · 17-06-2020

Атом чем-то структурно напоминает чд (с грубой натяжкой).
Ничтожная по размерам точка ядро в центре (по аналогии сингулярность в чд) окруженное пустотой, вокруг которой электронные сферы (типа такие электронные ГС)
Но только создан атом не гравитационным, а эл. маг. взаимодействием в отличии от чд.

14
3710 · 17-06-2020

Просто очень холодное вещество. Предельно охлажденное - дальше некуда. Можно было бы сделать какие-нибудь сверхчувствительные детекторы.
К 13. dengess188 Ядро атома - все-таки не точка, также как и электрон. Волновая функция.

15
dengess190 · 17-06-2020

Ядро конечно не точка. Я так выразился, чтобы подчеркнуть очень маленький размер ядра относительно размера атома.

16
Nablydatel86 · 17-06-2020

К.15.
Так точка размера не имеет, так вроде?

17
Leonid3136 · 18-06-2020

"..Что оно даёт это состояние?.." (с)JamesWebb
Сверхпроводимость и сверхтекучесть -- отсутствие сопротивления перемещению как электрического тока так и самого вещества. Кроме практического применения, представляется возможность (как уже указывалось коллегами, конструирования особо чувствительных приборов.
"..А что именно значит это "распространяться и перекрываться"?.." (с)r0bin
На пальцах:
Энергия отдельного атома (или электрона в проводниках) настолько мала (а она пропорциональна температуре), чтоатом не может ни принять, ни отдать квант излучения соответствующий температуре, т. е. лишён возможности взаимодействовать с окружением. Поэтому атомы сливаются в группы (перекрываются) и ведут себя, как единое целое. Их энергии суммируются и возможность взаимодействия с окружением восстанавливается. Именно этим объясняется и сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Подобное свойство есть прямое подтверждение квантовой теории.

18
JamesWebb39 · 18-06-2020

Nablydatel, точка не имеет размера, верно. Точка имеет только положение. Это виртуальный объект.

19
dengess190 · 18-06-2020

Nablydatel и JamesWebb,
Точка - многозначное слово.
Иногда Точка может иметь конкретный размер.
Точка это знак препинания в письме. Да и в математике знак. Тут размер тчк зависит от шрифта.
...
В морзянке точка - знак кода. Возможно и тут имеет размер свою роль, или промежутки. Спросим у радиста.
...
Слово точка может иметь абстрактный смысл. Например выражение: "... поставить жирную точку.". Здесь размер точки определён длиной слова "точка", как долго произносится слово.
и. т. д.
...
Я использовал это слово тоже абстрактно. Подчеркнул мелкость и центральность размера ядра внутри относительно большого атома.
........................
Можно конечно и далее язвить взаимным словоблудием. Но предлагаю поставить на этом диспуте жирную точку.

20
r0bin12 · 18-06-2020

Leonid3, спасибо, более мение ясно.

21
viktorchibis33 · 18-06-2020

Leonid, ком 17 – «атомы сливаются в группы (перекрываются) и ведут себя, как единое целое».
Поясните, пожалуйста, что означает «сливаются в группы» - возникают связи, перекрываются орбитали, объединяются орбитали, или др.? Размер групп постоянен, или зависит от температуры?

22
Leonid3136 · 18-06-2020

viktorchibis, ну вы задаёте вопросы, отвечать рефератом на полсотни страниц :-))
Как и все целочисленно-спиновые бозоны атомы гелия (и рубидия тоже) могут иметь одну и ту же волновую функцию и при сверхнизких температурах этим пользуются и ведут себя как одна квантовая частица, более того чем больше их в коллективе, тем больше вероятность присоединения к ним ещё одного бозона. Так что его, коллектива, размер от двух до сколь угодно. Но лучше по сверхтекучести смотреть нобелевские лекцию от 1962 г. Ландау и от, насколько помню, 2001 г. Корнелл с коллегами (последнюю сам не смотрел).
А вот электроны не могут создавать такие коллективы (спин-то не целый), зато могут "ходить парами", называемые, э..э.. блин, вот! -- "куперовские пары" поищите в сети. За счёт этого они могут "туннельный" эффект проявить и проскочить через небольшой разрыв в сверхпроводнике. Такое туннелирование сопровождается электромагнитным излучением от этого разрыва.

23
Nablydatel86 · 19-06-2020

К.19.
dengess1, поддерживаю.
Так как не рассматриваю БВ и некую сингулярность, с ним связанной, основой.

24
viktorchibis33 · 19-06-2020

Leonid, - ком.22 супер!
Тогда ещё один маленький вопрос – Атомы группируются за счет взаимодействия электронов или ядер? (В понятиях классической физики, а не квантовой).

25
Leonid3136 · 19-06-2020

viktorchibis, а с понятий классической физики "такого быть не может, потому что такого не может быть!"
Вот пример: "ОБОРОНОСПОСОБНОСТЬ" -- здесь аж семь бозонов с одной волновой функцией, а значит это ОДНА частица, "едина в семи лицах", ударил в неё фотон и она сдвинулась: "БОРОНОСОПСОБОНСОТЬ" :-)))

26
viktorchibis33 · 20-06-2020

Leonid, ком.25 – не засчитывается.
Тогда «простой» вопрос – Что такое спин электрона, и как его определяют?
И более конкретно – как определили, что два электрона, образующие куперовскую пару имеют противоположные спины? И что это такое – противоположные спины?
Напомню, что в учебниках: спин - не связан с движением (перемещением или вращением) частицы как целого. Я вот как-то никак в толк не возьму это определение.

27
Leonid3136 · 20-06-2020

viktorchibis, а как вам такое квантовое свойство как "очарованность"? Оно тоже не связано с механическим движением :-(
Ну нет в квантовой теории положений, которые можно было что-то сопоставить на бытовом (моём) уровне. А вы всё желаете от меня ответ получить -- нет его у меня и быть не может, не дорос ещё и, судя по возрасту, уже никогда не дорасту :-)))

28
viktorchibis33 · 20-06-2020

Leonid, ну что ж, не хотите говорить …, подождем, когда будете в настроении.
А пока, я расскажу Вам свою версию (по KST). Это сейчас моё любимое занятие – разбирать явления, известные и не известные, по KST и строить соответствующие модели. В данном случае корпускул касаться не будем, только помнить, что их цепочки передают взаимодействия.
Свободные электроны, среди прочих параметров, обладают эл. зарядом −1,6021766208(98)⋅10−19 Кл, и дипольным магнитным моментом −9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. Электрические заряды двух электронов расталкивают электроны, а магнитные дипольчики разворачивают их противоположными магнитными полюсами друг к другу и притягивают. С позиций S_теории, электрон состоит из шести соединенных симплов, свернутых в бублик типа анаполя Зельдовича, но с дополнительным азимутальным эл. вихрем, который и придаёт электрону эл. заряд (во взаимодействии с тороидальными эл. вихрями), и генерирует тот самый магнитный момент.
Электрическое взаимодействие свободных электронов с ядрами атомов действует разнонаправленно, и в первом приближении можно считать компенсирует друг друга. Но ядра атомов и связанные с ними электроны играют другую роль – кинетическую. При нормальной температуре они вибрируют и передают часть кинетической энергии свободным электронам.
В результате на два свободные электроны действует три силы: электростатического отталкивания, притяжения магнитных дипольчиков, и «броуновского» хаотического движения. При понижении температуры третья сила значительно убывает (можно сказать исчезает), а первые две силы, можно сказать, уравновешивают друг друга. Причем дистанционно два магнитных полюса двух электронов оказываются ближе друг к другу, чем их электрические заряды. В результате бублики электронов притягиваются и образуют сдвоенное «колесико» - куперовскую пару (внешне точно такое же, как при образовании электрон-позитронной пары - ЭПП).
Теперь к спину. По ST спин симпла-бублика – направление «вращения» внутреннего магнитного вихря бублика, ответственного (наряду со связанными с ним тороидальными эл. вихрями) за энергию и массу симпла. Соответственно, спины двух электронов, объединяющихся в куперовскую пару в соответствии с вышеприведенной моделью, будут иметь одинаковое направление (!), - в отличии от БКШ. Вот меня и интересовал вопрос – Как они определяли направление спинов? (Кстати, у ЭПП спины могут быть как однонаправленными, так и разнонаправленными. От этого у них две разных судьбы).
Так что про спины я спрашивал не для того, чтобы затеять с Вами очередную дискуссию, а вполне в «корыстных» целях – проверифицировать предложенную S_модель образования куперовских пар.
Кстати, с объединением атомов в группы, по ST ситуация аналогичная. Только объединяющую роль там играет дипольный электрический момент ядер атомов, возникающий в нуклонах при объединении больших и средних симплов в торообразную структуру (см. мою аватарку). При этом их магнитные моменты складываются в магнитный вихрь, который и генерирует электрический дипольный момент нуклонов. При объединении нуклонов в ядра, этот момент играет роль дальней приводной (а щелевые магниты кварков – ближнего захвата). При этом в ядре эл. моменты объединяются, но из-за нарушения соосности при соединении разнотипных нуклонов, образуется не цепочка, а клубок нуклонов. Соответственно и полюса объединенного эл. момента «торчат из клубка где попало».
Пока Вы не одобрили эту схему – ИМХО.

29
AlfKorol4 · 09-07-2020

1) Будучи химиком, так же представляю, что среднее расстояние между атомами в плотной упаковке зависит от температуры. При приближении к температуре абсолютного нуля броуновское движение практически исчезает и расстояние между атомами снижается до минимально возможного. Почти как частицы в ускорители, только кинетическая и тепловая энергия "соприкасающихся" частиц близка к нулю и атомы электронейтральны (в отличие от большинства частиц в пучке ускорителя).
2) Вопрос первый: а насколько диаметр атомов уменьшается вблизи абсолютного нуля?
Вопрос второй: не меняется ли энергия электронных орбиталей атомов? Рубидий - не самый лёгкий элемент, поэтому его электроны расположены на разных орбиталях (s, p, d, f ... что характеризуется большим набором квантовых чисел). Может вблизи абс.нуля энергия электронов внешних s-орбиталей становится ниже энергий электронов с внутренних p, d, f - орбиталей и уже последние определяют взаимодействие между атомами в конденсате Бозе-Энштейна?
3) Вообще, мне представляется, что при сближении атомов и электронов (из-за невозможности полного отсутствия движения) на минимальное расстояние, должно проявляться какое-то взаимодействие между частицами (вплоть до падения одного электрона в ядро) с последующим выделением энергии и передачи этой энергии частицам конденсата. То есть взаимодействие частиц препятствует достижению абс.нуля ИЗ-ЗА ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ядерных и иных взаимодействий, вплоть до его исчезновения/превращения).
4) Конденсат из разных атомов (например, рубидия и калия, или рубидия и цезия) - менее предсказуемая система, т.к. включается ещё перескок электронов с различных атомов (из-за различной электроотрицательности даже среди щелочных атомов). Возможно, такое взаимодействие затруднит (а вдруг наоборот, облегчит) приближение к температуре абсолютного нуля...

написать комментарий наверх
Для добавления комментария необходимо зарегистрироваться, а затем войти на сайт используя свой логин и пароль.

Если Вы уже зарегистрировались, но забыли пароль - воспользуйтесь нашим разделом восстановления пароля.

© 2002-2020. Все права защищены. AstroNews.ru | Перепечатка любых материалов сайта без разрешения редакции запрещена!