In een onlangs gepubliceerd rapport rapporteert het Will Lab-team van Columbia University succes bij het overschrijden van de BEC-drempel en het creëren van Bose-Eienstein-condensaat (BEC) van NaCs-moleculen bij een ultrakoude temperatuur van 5 nanoKelvin (= 5 x 10-9 Kelvin). Het moleculaire kwantumcondensaat was stabiel met een levensduur van ongeveer 2 seconden. Hiermee komt een einde aan een tientallen jaren lang streven naar moleculaire BEC. Dit is een opmerkelijke prestatie en een mijlpaal in de wetenschap.
Het is algemeen bekend dat materie zich in een van de drie toestanden bevindt, namelijk. vast, vloeibaar of gasvormig, afhankelijk van externe omstandigheden zoals temperatuur en druk. Bijvoorbeeld H2O wordt onder gewone externe omstandigheden aangetroffen als ijs, water of damp.
Wanneer de temperatuur boven de 6000–10,000 Kelvin ligt, wordt materie geïoniseerd en verandert in plasma, de vierde toestand van materie.
Wat zou de toestand van de materie zijn als de temperatuur ultralaag is, dichtbij het absolute nulpunt?
In 1924-25 deden Satyendra Nath Bose en Albert Einstein een theoretische voorspelling dat als boson Als deeltjes (dat wil zeggen entiteiten met een gehele spinwaarde) worden afgekoeld tot een ultralage temperatuur nabij het absolute nulpunt, zouden de deeltjes samensmelten tot één enkele, grotere entiteit met gedeelde eigenschappen en gedragingen die worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica. Deze toestand, genaamd Bose-Einstein-condensaat (BEC), werd beschouwd als de vijfde toestand van de materie.
| toestanden van materie | Temperatuurbereik van het bestaan |
| Plasma | boven 6000–10,000K |
| Gas | Voor water, boven 100°C bij normale atmosferische druk |
| Vloeistof | Voor water, tussen 4°C en 100°C |
| Solid | Voor water, onder 0°C |
| Bose-Eisenstein-condensaat (BEC) | Bijna het absolute nulpunt Ongeveer 400 nanoKelkin voor atomaire bosonen Ongeveer 5 nanokelvin voor moleculaire BCE {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Absoluut nulpunt = 0 Kelvin = -273°C |
De theoretische voorspelling van Bose-Einstein-condensaat (BEC), de vijfde toestand van de materie, werd bijna zeventig jaar later werkelijkheid, in 1995, toen Eric Cornell en Carl Wieman de eerste BEC creëerden in een gas van rubidiumatomen, en kort daarna produceerde Wolfgang Ketterle een BEC in een gas van natriumatomen. Het trio ontving in 2001 gezamenlijk de Nobelprijs voor de Natuurkunde.voor het bereiken van Bose-Einstein-condensatie in verdunde gassen van alkali-atomen, en voor vroege fundamentele studies van de eigenschappen van de condensaten'.
Chronologie van de vooruitgang in de wetenschap van de vijfde toestand van de materie
| Mijlpalen |
| 1924-25: De theoretische voorspelling van de vijfde toestand van de materie. Satyendra Nath Bose en Albert Einstein voorspelden theoretisch dat een groep bosondeeltjes, afgekoeld tot een bijna absoluut nulpunt, zou samensmelten tot één enkele, grotere superentiteit met gedeelde eigenschappen en gedragingen die worden gedicteerd door de wetten van de kwantummechanica. |
| 1995: De ontdekking van de vijfde toestand van materie – de eerste atomaire BEC’s ontstaan. De theoretische voorspelling van Bose en Einstein wordt werkelijkheid na zeventig jaar toen Eric Cornell en Carl Wieman de eerste BEC creëerden in een gas van rubidiumatomen, en kort daarna produceerde Wolfgang Ketterle een BEC in een gas van natriumatomen. |
| Moleculaire BCE's Het nastreven van moleculaire BCE's waarvoor ultrakoeling in nanoKelvin nodig is (10-9 Kelvin) reeks |
| 2008: Deborah Jin en Jun Ye koelde een gas van kalium-rubidiummoleculen af tot ongeveer 350 nanokelvin. |
| 2023: Ian Stevenson c.s. creëerde het eerste ultrakoude gas van natrium-cesium (Na-Cs) moleculen bij een temperatuur van 300 nanoKelvin (nK) met behulp van een combinatie van laserkoeling en magnetische manipulaties. |
| 2023: Niccolò Bigagli c.s. gebruikten microgolven om de levensduur van een bosonisch gas van natrium-cesiummoleculen te verlengen van enkele milliseconden tot meer dan een seconde, een cruciale eerste stap om ze af te koelen. Met hun monster dat langer meegaat, hebben ze de temperatuur verlaagd tot 36 nanokelvin – net minder dan de temperatuur die nodig is om de moleculen een BEC te laten vormen. |
| 2024: Niccolò Bigagli c.s. creëert BEC van moleculaire bosonen (NaCs-moleculen) bij een ultrakoude temperatuur van 5 nanoKelvin (nK) |
Sinds de ontdekking in 1995 maken laboratoria over de hele wereld en in het Internationale Ruimtestation (ISS) routinematig atomaire BEC's van verschillende soorten atomen.
Moleculair Bose-Einstein-condensaat (BEC)
Atomen zijn eenvoudige, soort ronde entiteiten zonder polaire interacties. Daarom hebben onderzoekers er altijd aan gedacht om Bose-Einstein-condensaat (BEC) uit moleculen te maken. Maar het creëren van BEC's van zelfs eenvoudige moleculen gemaakt van twee atomen van verschillende elementen was niet mogelijk vanwege een gebrek aan technologie om moleculen af te koelen tot weinig nanoKelvin (nK) dat nodig is voor de vorming van moleculaire BEC.
Onderzoekers van Will Lab van Columbia University hebben consequent gewerkt aan de ontwikkeling van ultrakoude technologie. In 2008 slaagden ze erin een gas van kalium-rubidiummoleculen af te koelen tot ongeveer 350 nanokelvin. Het hielp bij het uitvoeren van kwantumsimulaties en bij het bestuderen van moleculaire botsingen en kwantumchemie, maar kon de BEC-drempel niet overschrijden. Vorig jaar, in 2023, gebruikten ze microgolven om de levensduur van een bosonisch gas van natrium-cesiummoleculen te verlengen en waren ze in staat een lagere temperatuur van 36 nanoKelvin te bereiken, wat dichter bij de BEC-drempel lag.
In een onlangs gepubliceerd rapport rapporteert het Will Lab-team van Columbia University succes bij het overschrijden van de BEC-drempel en het creëren van Bose-Eienstein-condensaat (BEC) van NaCs-moleculen bij een ultrakoude temperatuur van 5 nanoKelvin (= 5 x 10-9 Kelvin). Het moleculaire kwantumcondensaat was stabiel met een levensduur van ongeveer 2 seconden. Hiermee komt een einde aan een tientallen jaren lang streven naar moleculaire BEC. Dit is een opmerkelijke prestatie en een mijlpaal in de wetenschap.
De creatie van moleculaire Bose-Einstein-condensaten (BES) zou op lange termijn relevant zijn voor onderzoek in fundamentele kwantumfysica, kwantumsimulaties, superfluïditeit en supergeleiding en innovatie van nieuwe technologieën zoals een nieuw type kwantumcomputer.
***
Referenties:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observatie van Bose-Einstein-condensatie van dipolaire moleculen. Natuur (2024). 03 juni 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Preprint-versie op arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Onderzoeksnieuws – Het koudste laboratorium in New York heeft een nieuw kwantumaanbod. Geplaatst op 03 juni 2024. Verkrijgbaar bij https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen. Geavanceerde informatie over de Nobelprijs voor natuurkunde 2001 – Bose-Einstein-condensatie in alkaligassen. Verkrijgbaar bij https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. De vijfde toestand van de materie. Verkrijgbaar bij 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}