ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΟΡΟΣΗΜΟ:::ΣΥΜΠΥΚΝΩΜΑ ΦΩΤΟΝΙΩΝ BOSE-EINSTEIN

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΟΡΟΣΗΜΟ:::::::ΣΥΜΠΥΚΝΩΜΑ ΦΩΤΟΝΙΩΝ BOSE-EINSTEIN:::::

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]

O Martin Weitz (δεξια), οι συνεργατες του και η διαταξη του Συμπυκνωματος BEC φωτονιων ορατων συχνοτητων, τεχνολογικο οροσημο.

Πολλοί φυσικοί επίστευαν ότι δεν θα μπορούσε να γίνει, αλλά τώρα μια ομάδα στην Γερμανία έχει δημιουργήσει ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) φωτονίων.BECs σχηματίζονται όταν μια ομαδα ταυτόσημων μποζονίων - σωματίδια με ακέραιο spin - ψύχονται έως ότου όλα τα σωματίδια της ομαδας βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι ένα BEC που αποτελείται από δεκάδες χιλιάδες σωματιδια συμπεριφέρεται ως ενα και μοναδικο κβαντικο σωματιδιο.
H θεωρητικη του προαναγγελια εγινε το 1924 απο τον Αινσταιν, αλλα μολις το 1995 επετεύχθη το πρώτο BEC (απο τον Βόλφγκανγκ Κέττερλε, βραβειο Νομπελ 2001) δια της ψύξεως ενος νέφους ατόμων ρουβιδίου 87 πολυ πλησίον στο απόλυτο μηδέν (-273,15 βαθμοι Κελσιου), σε θερμοκρασια 170 nK. Σήμερα τετοια συμπυκνωματα πολυ συχνα χρησιμοποιούνται για την μελέτη μιας ποικιλίας κβαντικών φαινομένων. Ωστόσο, λίγοι φυσικοί είχαν εξετάσει το ενδεχόμενο δημιουργιας ενος BEC από τα πιο κοινά μποζόνια στο Σύμπαν - τα φωτόνια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα φωτόνια εύκολα δημιουργούνται ή καταστρέφονται όταν αλληλεπιδρούν με άλλα υλικά, πράγμα που καθιστά πολύ δύσκολο να κρυώσει ένας σταθερός αριθμός των φωτονίων, ετσι ώστε να σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα.
Αλλά τώρα ο Martin Weitz (Βάιτς) και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Βόννης στην Γερμανία, έχουν επινοήσει μια μεθοδο απομονώσεως και ψύξεως φωτονιων. Παρόλο που η μεθοδος δεν μπορεί να συγκρατησει σταθερό τον αριθμό των φωτονίων, ο αριθμός κυμαίνεται γύρω από μια μέση τιμή, που επιτρέπει το σύνολο να χαρακτηρίζεται χρησιμοποιώντας συμβατικη θεωρία BEC.
Παγιδευμένα ανάμεσα σε δύο κατοπτρα
Η ερευνητικη ομάδα επαγιδευσε τα φωτόνια της ανάμεσα σε δύο κοίλα κάτοπτρα που χωρίζονται από ένα μέγιστο 1,5 μm. Η απόσταση αυτή (με ακρίβεια ενος ακέραιου αριθμού) καθορίζει το μέγιστο μήκος κύματος - ή ελάχιστη ενέργεια - ενός φωτονίου που περιορίζεται κατά μήκος μέσα στην κοιλότητα μεταξύ των κατόπτρων. Η κοιλότητα είναι γεμάτη με μια ερυθρα χρωστική ουσία που διατηρείται σε θερμοκρασία δωματίου - και, κυρίως, η θερμική ενέργεια της χρωστικης ουσιας είναι περίπου το 1% της ενέργειας των φωτονίων.
Αυτή η μεγάλη διαφορά της ενέργειας σημαίνει ότι είναι μάλλον απίθανο πρόσθετα φωτόνια να προκύψουν από την χρωστική ουσία, ή ότι η χρωστική ουσία θα απορροφήσει πλήρως ένα φωτόνιο. Αντ'αυτού, τα φωτόνια συγκρούονται με τα μόρια της χρωστικής ουσιας, κερδιζοντας ή χανοντας μικρά ποσά ενέργειας. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις ψυχουν τα φωτόνια σε θερμοκρασία δωματίου - η οποία είναι αρκετά χαμηλη για να δημιουργηθει ένα συμπυκνωμα BEC φωτονιων- διατηρώντας παράλληλα τον αριθμό των φωτονίων σταθερο.
Η ομάδα ερευνητων εδημιουργησε το BEC κατευθυνοντας μια ακτινα πρασινου λέιζερ μέσα στην κοιλότητα για να την γεμίσει με τα φωτόνια. Η χρωστικη ουσια απορροφα φωτονια και τα επανεκπεμπει σε χαμηλοτερη, κιτρινου φωτος συχνοτητα, τα οποια τα κατοπτρα εστιαζουν στο κεντρο της κοιλοτητας. Το λέιζερ στη συνέχεια διατηρείται σε όλο το πείραμα για να αναπληρώνει τα φωτόνια που χάνονται επανω στα κατοπτρα και σε ατέλειες στην κοιλότητα. Μερικά από τα φωτόνια περνούν διαμεσου ενος από τα κάτοπτρα προς έναν φασματογραφο, ο οποίος καταμετρά την κατανομή ενέργειας των φωτονίων στην κοιλότητα. Σε χαμηλές εντάσεις λέιζερ η κοιλότητα περιέχει ένα ευρύ φάσμα ενεργειών φωτονίων με ένα αυστηρο cut-off στην ελάχιστη ενέργεια της κοιλότητας.
Κρίσιμος αριθμός φωτονίων
Όταν η ένταση λέιζερ αυξάνεται, ο αριθμός των φωτονίων στην κοιλότητα αυξάνεται και η ευρεία κατανομη ενεργειων φωτονιων διατηρειται, έως ότου ο αριθμός των φωτονίων φθάσει σε περίπου 60.000, με πυκνοτητα 1 τρισεκ. φωτονιων ανα κυβικο εκατοστο. Πάνω απ 'αυτή την κρίσιμη τιμή, σύμφωνα με τον Weitz, το "φωτονικό" αέριο είναι αρκετα πυκνό για να σχηματισθει ένα BEC - περίπου όπως μια σταγονα υγρου συμπυκνουται μεσα σε ένα αέριο. Η εμφανιση μετατρεπεται απο διαχυτο φως σε σχημα σφαιρας σε ενα μοναδικο σημειο εξαιρετικα λαμπρο.
Οι ερευνητες καταλαβαινουν ότι το BEC έχει σχηματισθει την στιγμη που ενα υψηλο μεγιστο πυκνοτητας προκυπτει στο φάσμα της ενέργειας φωτονίων ακριβώς πάνω από το cut-off ενέργειας. Αυτή η κορυφή αντιστοιχεί σε μεγάλο αριθμό φωτονίων που συσσωρεύονται στην χαμηλότερη δυνατη επιτρεπτη ενεργειακή κατάσταση της κοιλότητας. Καθώς η ένταση λέιζερ αυξάνεται περαιτέρω, ο αριθμός των φωτονίων στο συμπυκνωμα BEC φθάνει τα εκατομμύρια.
Για να πείσουν τον εαυτό τους ότι η κορυφή αντιστοιχει με σχηματισμο BEC, και όχι με συμπεριφορα της κοιλότητας σαν ένα λέιζερ, οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα σε αρκετες διαφορετικές αποστάσεις διαχωρισμού των κατοπτρων. Διεπιστωσαν ότι η κορυφή εμφανιζεται παντοτε για την ίδια πυκνότητα φωτονίων - κάτι που δεν θα συνεβαινε σε ένα λέιζερ, σύμφωνα με τον Weitz.
Πολυ μικρη "δραστικη μάζα"
Η κοιλότητα έχει λογω συμμετριας μια δισδιαστατο "ενεργο" γεωμετρια, πράγμα που σημαίνει ότι τα φωτόνια περιορίζονται σε 2 βαθμους ελευθεριας. Aποτέλεσμα του περιορισμου των φωτονιων κατα το εύρος διαχωρισμου των κατόπτρων ειναι οτι, τα φωτονια συμπεριφέρονται σαν να είναι σωματίδια με μια "δραστική μάζα" που αντιστοιχεί στο cut-off ενέργειας,

m(φ)=hω(cut-off)/c²=6,7x10^-33 gram

Η μάζα αυτή είναι εξαιρετικά μικρη, και αυτός είναι ο λόγος που τα φωτόνια διαμορφώνουν ένα BEC σε θερμοκρασία δωματίου και δεν χρειάζεται να ψύχονται σε θερμοκρασία μικρο-Kelvin , οπως συμβαινει με άτομα.
Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φωτονίων είναι πολύ ασθενέστερες από ό, τι εκείνες μεταξύ ατόμων και αυτό σημαίνει ότι τα φωτόνια μπορούν να αποτελέσουν ενα πραγματικο δισδιαστατο συμπυκνωμα BEC. Τα άτομα, από την άλλη πλευρά σχηματιζουν αποκλειστικα μόνο ένα τρισδιαστατο BEC.
Δυνητικες εφαρμογες
Σύμφωνα με τον Weitz, η δημιουργια φωτος με "δραστικη μαζα" που αντιστοιχει σε συγκεκριμενη θερμοκρασια (δωματιου) δεν απαιτεί απαραιτήτως ένα λέιζερ και οι συσκευές θα μπορούσαν να "αντλήσουν" φωτονια από άλλες πηγές φωτός - όπως ο Ήλιος. Ως εκ τούτου, πιστεύει ότι η μεθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθει για να συρρικνωθεί το μέγεθος των ηλιακών κυψελιδων με τη συγκέντρωση φωτός μέσα σε συσκευές. Πιστεύει επίσης οτι συμπυκνωματα BEC φωτονιων υπεριωδων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σαν πηγες υψηλης ενεργειας συνεκτικης (coherent)υπεριωδους ακτινοβολιας για την κατασκευή, μεσω της συνηθους τεχνικης της λιθογραφικης μασκας, ολοκληρωμενων ηλεκτρονικων κυκλωματων (ΟΗΚ) πολυ μικροτερων διαστασεων απο τα σημερινα. Η συνηθης πρακτικη απαιτει χρηση λειζερ για την λιθογραφικη, μεσω εγκαυσεως, κατασκευη της μασκας, αλλά υπεριωδη λειζερ ειναι πολυ δυσκολο να λειτουργησουν. Απο την αλλη, για την κατασκευη πολυ μικροτερων ΟΗΚ των σημερινων, η χρηση υπεριωδων ειναι αναποδραστη, χαρις στο εξαιρετικα μικρο τους μηκος κυματος. Αυτο τις καθιστα ιδανικες για την έγκαυση μικρων διαστασεων σχεδιων στις κυψελιδες των ΟΗΚ.
[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]
Διαδοχικες στιγμες στην διαδικασια σχηματισμου συμπυκνωματος (condensate) BEC. Bημα προς βημα ανορθωνεται η κορυφη της πυκνοτητας κατανομης μεσα σε μια μαγνητο-οπτικη παγιδα, σχεδον Ονειροπαγιδα, μεχρις οτου τα ατομα που αντιστοιχουν στο σημειο μεγιστου ευρισκονται στην ιδια κοινη κβαντικη κατασταση ελαχιστης ενεργειας. Προκειται για, αρχικα, 6 δισεκατομμυρια παγιδευμενα ατομα ρουβιδιου 87 . Στο κεντρο της παγιδας, οταν η θερμοκρασια φθασει 500 nK, ενα ποσοστό των αρχικων ατομων επιτυγχανει κατασταση συμπυκνωματος ΒΕC και συμπεριφερεται σαν ενα και μοναδικο ατομο. Ειναι σαν να βλεπουμε ενα σμηνος πουλιων (αποδημητικων), με απόλυτα τελειο συγχρονισμο, και ταυτοτικες κινησεις.
[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]
Το πρωτο συμπυκνωμα BEC περιπου 20.000 ατομων ασβεστιου 40, που επετυχαν Γερμανοι ερευνητες τον Ιουνιο 2009 στο Μπράουνσβάιγκ, στο Iνστιτουτο PTB. Απο τα αρχικα 2.000.000 ατομα ασβεστιου 40, ενα νεφος 100.000 επιτυγχανουν θερμοκρασια 200nK, και απο αυτα 20.000 σχηματιζουν το καθαρο συμπυκνωμα, στο κεντρο της μαγνητο-οπτικης παγιδας.[/b]
δεντρο

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]
Διαδοχικες στιγμες στην διαμορφωση ενος συμπυκνωματος BEC ατομων στροντιου 84. Η κορυφη της πυκνοτητας κατανομης ανορθωνεται προς το σημειο μεγιστου, που αντιστοιχει στην "5η κατασταση της υλης", το συμπυκνωμα ΒΕC, οποταν ολα τα ατομα συμμεριζονται μια κοινη κβαντικη κατασταση ελαχιστης ενεργειας. Ερευνητες του Πανεπιστημιου του Ιννσμπρουκ της Αυστριας, οι Ρουντολφ Γκριμμ και Φλοριαν Σρεκ, κερδισαν τον Νοεμβριο 2009 στον αγωνα δρομου αμερικανικα ερευνητικα κεντρα που προσπαθουσαν επι χρονια να το επιτυχουν, χρησιμοποιωντας αλλα ισοτοπα του στροντιου. To στροντιο, οπως το ασβεστιο, εχει 2 ηλεκτρονια σθενους. Ατομα αυτης της ομαδας του Περιοδικου Συστηματος πολυ δυσκολοτερα σχηματίζουν συμπυκνωμα BEC απο τα ατομα με 1 ηλεκτρονιο σθενους, οπως το ρουβιδιο. Επιπλεον ο αριθμος των ατομων του καθαρου συμπυκνωματος ειναι πολυ μεγαλυτερος απο την προηγουμενη επιτυχια με ατομα ασβεστιου 40. Συμμετεχουν εδω 150.000 ατομα στροντιου 84. To συμπυκνωμα στροντιου 84 θα χρησιμευσει σε πολυ ακριβεις οπτικες μετρησεις σε κλιμακα μm, όπου αυτες χρειαζονται (Βιολογια, Iατρικη, Βιοχημεια, κλ.).

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΒΕC ΟΙΩΝΕΊ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]
Διαδοχικες στιγμες στην διαδικασια προς την επιτευξη Συμπυκνωματος BEC πολαριτονιων, που επιτυγχανεται σε θερμοκρασια 19 βαθμων Kelvin, αρκετα επανω απο το απολυτο μηδεν. Τα πολαριτονια ειναι οιωνεί-σωματιδια (quasiparticles), δηλαδη κβαντικα μειγματα ιδιοκαταστασεων. Στην περιπτωση μας, δηλαδη στην Φυσικη στερεας καταστασεως, ζευγη ηλεκτρονιων-οπων συναποτελουν μποζονια, αποκαλουμενα εξιτονια, και το κβαντικο μειγμα εξιτονιου-φωτονιου ειναι επισης μποζονιο, για το οποιο θεωρητικα ειναι δυνατη η επιτευξη BEC. Εξ ημισείας σωματιδιο (εξιτονιο) και εξ ημισείας κυμα (φωτονιο), το πολαριτονιο εχει το 1 δισεκατομμυριοστο της μαζας του ατομου του ρουβιδιου ως "δραστικη μαζα", που ειναι και 10.000 φορες μικροτερη της μαζας του ηλεκτρονιου. Συνεπεια αυτου ειναι οτι, η θερμοκρασια BEC των πολαριτονιων ειναι 19Κ (-254 Κελσιου), πολυ χαμηλοτερη της του δωματιου, στην οποια τα φωτονια σχηματιζουν BEC. Η εμφανιση του πρωτου BEC, στην στερεα κατασταση, οιωνεί-σωματιδιων επετευχθη απο ομαδα ερευνητων του UJF Πανεπιστημιου της Γκρενομπλ και του Πολυτεχνειου της Λωζαννης EPFL το 2006, και συνοδευεται απο ομοθυμη πολωση και ταυτοτικες κινησεις των πολαριτονιων. δεντρο

ΠΟΛΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΩΝ ΚΑΤΙ ΜΟΥ ΛΕΕΙ ΟΤΙ ΕΧΕΙ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΔΟΥΛΕΙΑ ΣΟΥ ΔΗΛ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ!

Καμμια σχεση, ενδιαφερον θεωρητικο. Εξαλλου τα αποτελεσματα αυτα ειναι εργαστηριακα, πολυ μακραν ακομη απο εφαρμογες.

ΔΗΛΑΔΗ ΣΕ ΤΙ ΑΠΟΣΚΟΠΟΥΝ ΑΥΤΑ ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΑΝ ΟΧΙ ΜΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑ??

ΔΕΝ ΕΧΩ ΚΑΤΑΛΑΒΕΙ...

Εκτος των οσων γραφονται στα αρθριδια, ο γενικος σκοπος αυτων των πειραματων ειναι η διερευνηση της συνεπειων της κβαντικης Μηχανικης σε πολυ καθαρη και ακραια μορφη, και πιο πρακτικα η υλοποιηση κβαντικων υπολογιστων που τρεχουν παραλληλα.

ΕΞΗΓΗΣΕ ΜΟΥ ΟΣΟ ΠΙΟ ΑΠΛΑ ΜΠΟΡΕΙΣ ΓΙΑΤΙ ΕΙΜΑΙ ΚΑΙ ΛΙΓΟ ΧΑΖΗ

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΠΙΑ Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ? Question

Δεν εχει χρησιμοτητα για τους περισσοτερους. Η κβαντικη φυσικη ειναι η πραγματικοτητα σε μικροσκοπικο επιπεδο, η κλασσικη φυσικη ειναι μια προσεγγιση της αληθειας, αλλα οχι η αληθεια, που συμφωνει με την ανθρωπινη εμπειρια, γιατι αυτη ειναι διαμορφωμενη βεβαια στις συνθηκες του μακροσκοπικου αισθητου κοσμου. Η εμπειρια ειναι λοιπον βασισμενη σε καποια στρεβλωση της αληθειας. Αυτο ανταποκρινεται στις ερωταπαντησεις του Πλατωνα, για τον οποιο η εμπειρια δεν ηταν η αληθεια. Παραπλησια πραγματα ελεγε και ο Αριστοτελης. Απο τοτε ολοι οι φιλοσοφοι, αισθητικοι, ψυχολογοι, βιολογοι, εγκεφαλολογοι, κλ.. ασχοληθηκαν με το θεμα της εμπειρικης αληθειας εναντι της "πραγματικης" αληθειας. Ξεχασα τους θεολογους, που ειναι αλλης κατηγοριας ροφημα.
[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]

To συμπυκνωμα BEC, Η 5η κατασταση της Υλης, , οπου εκατομμυρια ατομα, σε πολυ χαμηλη θερμοκρασια, ενεργουν και εμφανιζονται ωσαν ενα και μοναδικο, ειναι το πλεον δακτυλοδεικτουμενο παραδειγμα που εναντιωνεται στην κοινη εμπειρια και λoγικη, τα χρηστα ηθη και εθιμα. Το προανηγγειλε ο Αινσταιν το 1924, και πραγματικα συμβαινει. Ειναι το πλεον ηχηρο χαστουκι στην κοινα αποδεκτη εμπειρια.

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]

Το Συμπυκνωμα Βose-Einstein (ΒΕC) εχει αποδειχθει πειραματικως και θεωρητικως οτι ειναι υπεραγωγιμο ιδανικως τελειο ρευστο. Ερευνητες του Ινστιτουτου Μαξ Πλανκ Κβαντικης Οπτικης στο Γκαρχινγκ του Μοναχου υπο τους Immanuel Bloch και Stefan Kuhr εχουν βελτιωσει και συνδυασει τις πειραματικες τεχνικες τους, επιδομουντες σε προηγουμενες επιτυχιες. Ενα νεο τεχνολογικο οροσημο επετευχθη. H εναρξη γινεται με περιπου 1 δισεκ. ατομα ρουβιδιου 87, τα οποια βαθμηδον ψυχονται με ακτινες λειζερ στους 100 nanoKelvin. Το νεφος BEC που προκυπτει συναπαρτιζεται απο μερικες χιλιαδες ατομα. Στο χρονικο αυτο σημειο ενεργοποιουνται διασταυρουμενες ομοεπιπεδες δεσμες ακτινων λειζερ, ισαπεχουσες σε δυο αξονες συντεταγμενων, που δημιουργουν ενα "οπτικο πλεγμα", δηλ. ενα επιπεδο τετραγωνικο πλεγμα που συντηρειται οσον χρονο οι ακτινες λειζερ ειναι ενεργες. Απεναντι των πηγων των ακτινων τοποθετουνται 2 κατοπτρα που τις ανακλουν, οποτε δημιουργουνται στασιμα κυματα των οποιων τα μεγιστα ειναι στους κομβους του πλεγματος. Η πλευρα του πλεγματος ειναι 532 nm, με καταλληλη επιλογη των συχνοτητων λειζερ, αποστασεων κατοπτρων κλ. παραμετρων. Στους κομβους αυτους ειναι το ελαχιστο δυναμικου της ενεργειας, και συνεπως στα σημεια αυτα τα ατομα του ρουβιδιου 87 του ΒΕC ευρισκουν σημεια ευσταθους ισορροπιας. Γινεται με τον τροπο αυτο μεταβαση φασεως απο υπεραγωγιμο υπερρευστο ΒΕC σε "μονωτη Mott". Tα ατομα ρουβιδιου 87 σε διαταξη επιπεδου οπτικου πλεγματος αποτελουν μονωτικο υλικο, καθοτι δεν εχουν πρακτικως δυνατοτητα κινησεων αναμεσα σε διαφορετικους κομβους, ολοι ειναι κατειλημμενοι. Στο υλικο αυτο εγινε δυνατον να μεταλλαξουν την μαγνητικη στροφορμη ενος μονου ατομου επιλεκτικως, μεσω ακτινων αλλου λειζερ και μικροκυματων. Ειναι η πρωτη φορα που γινεται επιλεκτικη αλλαγη του ειδους αυτου, απο την κατασταση "0" στην "1". Υλοποιειται ετσι ενα κβαντικο μπιτ (qubit), εξελιξη απαραιτητη για την επιτευξη κβαντικων υπολογιστων. Τα συμβολα κατω συναπαρτιζονται απο ατομα μεταλλαγμενα κατα την μαγνητικη στροφορμη. Ειναι στην θεση "1", ενω τα υπολοιπα στην αρχικη κατασταση "0". [Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]

Προκειμενου ο μονωτής Mott να χρησιμοποιηθει σαν στοιχειο κβαντικου υπολογιστου μερικα επομενα βηματα ειναι απαραιτητα. Κατ'αρχην τα ατομα ρουβιδιου πρεπει να τεθουν σε κατασταση κβαντικης υπερθεσεως των δυο θεσεων "0" και "1". Αυτο απαιτει καλλιτερο ελεγχο των παραμετρων του πειραματος. Απαιτειται επισης Διεμπλοκη μεταξυ των ατομων. Αυτο θα ηταν δυνατον να λυθει με την θεση των ατομων σε αποκαλουμενες καταστασεις Rydberg, στις οποιες το τροχιακο του εξωτερου ηλεκτρονιου του ατομου εκτεινεται πολυ περαν του πυρηνα και υπερκαλυπτεται με το τροχιακο του εξωτερου ηλεκτρονιου του γειτονικου ατομου. Μια παραλληλη εφαρμογη θα ηταν η προσομοιωση του κβαντικου μαγνητισμου. Η μαγνητικη στροφορμη ενος μονον ατομου μεταβαλλεται με λειζερ σε "1", ενω των υπολοιπων παραμενει "0". Στην συνεχεια, καθως η διαταραχη επεκτεινεται στα υπολοιπα ατομα, γινεται καταλεπτως η καταγραφη της διαδοσεως της διαταραχης, χαριν της μελετης του φαινομενου μεταφορας σε στερεα.

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]

ΕΘΕΑΘΗΣΑΝ ΚΒΑΝΤΙΚΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ

Οι διακυμάνσεις είναι θεμελιώδους σημασίας για πολλά φυσικά φαινόμενα στην καθημερινή μας ζωή, όπως η μετάβαση φάσεως από υγρό σε αέριο ή από ένα στερεό σε υγρό. Αλλά ακόμα και στην θερμοκρασία του απολυτου μηδενος, όπου κάθε κίνηση στον κόσμο της κλασσικής φυσικης παγώνει, ειδικές κβαντομηχανικές διακυμάνσεις συμβαίνουν και επικρατούν, που ειναι δυνατόν να κατευθύνουν την μετάβαση μεταξύ δύο κβαντικων φάσεων. Τελευταίως μια ομάδα γύρω από τους Immanuel Bloch και Stefan Kuhr στο Ινστιτούτο Max Planck της Κβαντικής Οπτικής (MPQ), στο Μόναχο, επέτυχε να παρατηρησει άμεσα τις εν λόγω κβαντικές διακυμάνσεις (Science, 14 Οκτωβρίου 2011).
Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο υψηλής ευκρινειας, ήταν σε θέση να απεικονισουν ζεύγη σωματιδίων-οπών σε κβαντική συσχέτιση, σε ένα αέριο υπέρψυχρων ατόμων. Αυτό επέτρεψε στους φυσικούς να αποκαλυψουν μια κρυμμένη τάξη στον κρυσταλλο και να χαρακτηρίσουν τις διάφορες φάσεις του κβαντικου αερίου. Το έργο εξετελέσθη απο κοινου απο επιστήμονες του Τμήματος Θεωρίας στο MPQ και του Πολυτεχνείου της Ζυριχης ETH. Οι μετρήσεις αυτές ανοιγουν νέους δρόμους για τον χαρακτηρισμό νεων κβαντικων φάσεων της ύλης.
Οι επιστήμονες έψυξαν ένα μικρό νέφος ατόμων ρουβιδίου σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν, περίπου -273^οC. Το νεφος υποβάλλεται σε ένα πεδίο φωτος λειζερ, που περιορίζει σημαντικά την κίνηση των σωματιδίων κατά μήκος μονοδιάστατων 'σωλήνων' φωτός, ευθυγραμμισμενων παράλληλα. Ένα επιπρόσθετο στασιμο κύμα λέιζερ κατά μήκος των 'σωλήνων' δημιουργεί ενα μονοδιάστατο οπτικο πλέγμα που συγκρατεί τα άτομα σε μια περιοδική διάταξη από φωτεινές και σκοτεινές περιοχές φωτός.
Τα άτομα κινούνται στην περιοδική διάταξη φωτός όπως τα ηλεκτρόνια σε στερεά σωματα. Οπως αυτα διακρίνονται σε ηλεκτρικούς αγωγούς ή μονωτές, τα μονοδιάστατα κβαντικα αέρια μπορούν να συμπεριφέρονται είτε σαν ένα υπερρευστό ή σαν μονωτικό υλικό σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ειδικότερα, το ύψος του δυναμικού του οπτικού πλέγματος παίζει σημαντικό ρόλο: θα καθορίσει εαν το άτομο θα σταθεροποιηθεί σε μια συγκεκριμένη θεση στο πλέγμα ή εαν θα είναι σε θέση να κινηθεί σε μια γειτονική τοποθεσια. Οταν το δυναμικο ειναι αρκουντως υψηλο, κάθε θεση του πλέγματος καταλαμβάνεται από ακριβώς ένα άτομο. Αυτή η κατασταση υψηλης ταξεως ονομάζεται "μονωτής Mott", απο το ονομα του Βρετανου φυσικου, βραβευμένου με Νόμπελ Sir Neville Mott. Όταν το υψος του δυναμικου του πλέγματος μειώνεται ελαφρώς, τα άτομα έχουν αρκετή ενέργεια για να υπερβουν το τειχος δυναμικου και να καταλήξουν σε μια γειτονική θεση, το φαινομενο γνωστο ως 'κβαντομηχανικό tunneling'. Με τον τρόπο αυτόν αναδύονται ζευγη θεσεων μιας κενης και μιας διπλά κατεχομένης, τα αποκαλούμενα ζεύγη σωματίδιων-τρύπας. Οι κβαντικές αυτες διακυμάνσεις δημιουργιας ζευγων εμφανίζονται ακομη και σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός, όταν όλες οι κινήσεις στον κόσμο της κλασσικής φυσικης έχουν παγώσει. Οι θέσεις των ζευγών κβαντικώς συσχετισμένων σωματίδιων-τρύπας στον κρύσταλλο είναι εντελώς τυχαιες και μη προβλεψιμες και καθορίζονται μόνον από την διαδικασία της μετρησεως. Επειδη τα δυο ατομα στην διπλα κατεχομενη θεση αλληλολακτιζονται τελικως εκτος πλεγματος, τα ζευγη σωματιδιων-τρυπας γινονται καταληπτα ως ζευγη σκοτεινων θεσεων στο πλεγμα. Οι φυσικοί αποδιδουν τον αριθμό των γειτονικών ζευγών σωματιδίων-τρύπας μέ μια συνάρτηση συσχετίσεως. Με την αύξηση της κινητικής ενέργειας των ατομων (π.χ. με αυξηση θερμοκρασιας), όλο και περισσότερα σωματίδια διαπερνουν το τειχος του δυναμικου κινουμενα σε γειτονικές θεσεις, και ετσι αυξανεται η τιμη της συναρτησεως συσχετισμου ζευγων. Ωστόσο, όταν ο αριθμός των ζευγων σωματιδίων-τρύπας είναι πολύ μεγάλος, είναι δύσκολο να αναγνωρισθουν απερίφραστα. Για τον λογο αυτον η συναρτηση συσχετίσεως εχει μικρότερες τιμές. Τελικώς, η ταξη ενός μονωτού Mott εξαφανίζεται εντελώς και το κβαντικό αέριο γίνεται υπερρευστό. Στην φαση αυτην οι διακυμάνσεις των οπών και των σωματιδίων συμβαίνουν ανεξαρτήτως αλληλων. Η συνάρτηση συσχετίσεως που μετράται στο πείραμα αναπαράγεται πολύ καλά με υπολογισμούς του θεωρητικου μοντέλου, που έγιναν από τους επιστήμονες του Τμήματος Θεωρίας στο MPQ και του ETH της Ζυρίχης. Είναι ενδιαφέρον ότι ιδίου τύπου έρευνες για δισδιάστατα κβαντικά αέρια έδειξαν σαφώς ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις δεν είναι τόσο εμφανείς όπως σε μονοδιάστατα συστήματα.
Οι επιστήμονες επεξέτειναν την ανάλυση για συσχετίσεις μεταξύ διαφόρων θέσεων του πλέγματος κατά μήκος της σειράς. Αυτές οι συναρτήσεις μη-τοπικής συσχετίσεως περιέχουν σημαντικές πληροφορίες για το υποκείμενο σύστημα πολλών σωμάτων και μπορουν να χρησιμοποιηθουν ως παράμετροι ταξεως για να χαρακτηρίζουν διάφορες κβαντικές φάσεις. Στο πείραμα που περιγράφεται εδώ, αυτες οι μη-τοπικές παράμετροι ταξεως εμετρήθησαν για πρώτη φορά. Στο μέλλον, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις μετρήσεις για την ανίχνευση τοπολογικών κβαντικών φάσεων. Οι τελευταίες μπορουν να αποβούν χρήσιμες για την λειτουργια στιβαρων κβαντικών υπολογιστών και θα μπορούσαν να βοηθήσουν ωστε να κατανοήσουμε την υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.
[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτόν το σύνδεσμο.]

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]
Η εικονα δειχνει διαδοχικες χρονικες στιγμες, ανα 40 μsec, ενος BEC ατομων ρουβιδιου, ψυχομενων σχεδον στο απολυτο μηδεν, στους 170^ο nK. Σε αυτο υπερτιθεται ενα οπτικο πλεγμα, σχηματιζομενο απο διασταυρουμενες παραλληλες δεσμες ακτινων λειζερ, που σχηματιζουν στασιμα κυματα με την βοηθεια κατοπτρων. Οι κομβοι του δισδιαστατου οπτικου πλεγματος ειναι τα σημεια ελαχιστου των στασιμων κυματων, εκει οπου υπαρχει το ελαχιστο του δυναμικου. Το δυναμικο ρυθμιζεται μεσω της ισχυος της δεσμης λειζερ. Σε συνθηκες απολυτου μηδενος η απαγορευτικη αρχη του Pauli επιτρεπει την παρουσια ενος μονον ατομου ρουβιδιου σε καθε κομβο. Οταν ομως το υψος του τειχους δυναμικου χαμηλωσει αρκουντως με καταλληλη ρυθμιση της δεσμης, η αρχη της αβεβαιοτητας του Heisenberg καθιστα δυνατη την μεταβαση ατομου σε γειτονικο κομβο, το λεγομενο tunneling, ή 'κβαντικη διαβαση σηραγγος υπο το τειχος δυναμικου'. Γινεται δυνατη η συνυπαρξη 2, ή και περισσοτερων, ατομων σε υπερθεση στον ιδιο κομβο. Ο αριθμος των ατομων σε ενα συγκεκριμενο κομβο αποτελει μεγεθος 'κβαντικως παρατηρησιμο', και η συνεισφορα του παροντος πειραματος αποσκοπει στην μελετη της δυναμικης εξελιξεως των καταστασεων αυτων. Στην εικονα απεικονιζονται 7 πορτραιτα με χρωμα γαλαζιο-κιτρινο που αποτελουν μια περιοδο της ταλαντωσεως, που παρατηρειται, του αριθμου συνυπαρχοντων ατομων ανα κομβο. Υπαρχουν κομβοι που φθανουν να εχουν 0,...7,...,10, ή και περισσοτερα ατομα, αυξομειουμενα με την περιοδικοτητα που ανεφερθη. Επιπλεον παρατηρειται οτι η συχνοτητα εμφανισεως ενος συγκεκριμενου αριθμου, π.χ. του '5', δεν ειναι πολλαπλασιο της συχνοτητας του '2', οπως θα ανεμενετο απο αναλογα φαινομενα της Κλασσικης Φυσικης. Εδω αναφυεται κατι εντελως νεο και απροσδοκητο, που καταδεικνυει το γεγονος οτι συμβαινουν και ταυτοχρονες συγκρουσεις μεγαλου αριθμου ατομων. Αυτο αντιβαινει στις μεχρι τωρα απλουστευτικες παραδοχες, που μπορει να διαβασει κανεις σε υπολογισμους Στατιστικης Φυσικης, οτι δηλ. 2 σωματιδια συμμετεχουν ανα συγκρουση. Καθως το οπτικο πλεγμα με υπερθεση στο BEC αποτελει ενα ιδανικο προσομοιωτη Συμπυκνωμενης Υλης, αναμενεται οτι η νεα αυτη θεωρηση του πραγματος θα επιτρεψει να συμβουν προοδοι στην θεωρια της Υπεραγωγιμοτητας σε υψηλες θερμοκρασιες και του κβαντικου Μαγνητισμου, μεταξυ αλλων. H ερευνα που περιγραφεται εγινε στο Πανεπιστημιο του Mainz, oπου ο Ιmmanuel Bloch ηταν καθηγητης, πριν μετακινηθει στο MPQ με ταυτοχρονο διορισμο του στο Πανεπιστημιο του Μοναχου LMU το 2009.