В IBM Research разработали способ получения конденсата Бозе-Эйнштейна с помощью полимерной плёнки



    Конденсат Бозе-Эйнштейна — это агрегатное состояние вещества, предсказанное и описанное индийским физиком Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном ещё в середине 20-х годов прошлого века. Тем не менее, впервые бозе-конденсат был получен экспериментально только в 1995-м. Физики Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили за это Нобелевскую премию. Им удалось получить конденсат из атомов рубидия и натрия, охлаждённых до нескольких десятков нанокельвинов. В 2010 году был получен конденсат из фотонов, причём при комнатной температуре.

    8 декабря этого года группа учёных из лаборатории IBM Research в Цюрихе опубликовала работу, в которой описан способ получения такого конденсата с использованием плёнки из люминесцентного полимера, подобного тому, что используется в OLED-дисплеях. Это значительно удешевляет процесс и приближает перспективу промышленного использования оптоэлектронных устройств на основе конденсата Бозе-Эйнштейна в высокопроизводительных вычислениях. Раньше для получения конденсата нужны были сверхчистые кристаллы.

    Чем же так интересен конденсат Бозе-Эйнштейна?

    Вещество переходит в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна, когда все его частицы с целым спином, то есть бозоны, находятся в одном и том же наинизшем возможном квантовом состоянии. При этом они начинают вести себя как одна гигантская суперчастица, обладающая квантовыми свойствами. Явления сверхпроводимости и сверхтекучести имеют непосредственное отношение к этому состоянию вещества и тем самым могут служить примерами проявления квантовых эффектов в макромире. Для фотонного бозе-конденсата следствием того, что все его фотоны находятся в одном и том же состоянии, является когерентность излучаемого им света. То есть на основе такого конденсата можно создавать лазеры и оптические переключатели, причём намного более эффективные, чем существующие сегодня.

    Учёные IBM Research использовали для получения бозе-конденсата установку в виде двух зеркал c зазором шириной порядка микрометра, в который помещена полимерная плёнка толщиной 35 нанометров. После возбуждения полимера лазерным лучом на его поверхности образуются экситонные поляритоны — квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов с возбуждениями среды. Более подробно о бозе-конденсации экситонных поляритонов можно почитать на русском языке в этой статье (PDF 2 Мб).

    Новый способ получения бозе-конденсата может лечь в основу элементной базы оптических микрочипов, которые будут во много раз быстрее и экономичнее обычных полупроводниковых. IBM уже давно занимается разработкой оптических и гибридных оптоэлектронных устройств, которые смогут удовлетворить нужду в обработке пета- и эксабайтов данных.

    IBM

    139,15

    Компания

    Поделиться публикацией
    Комментарии 74
      –9
      Картинка ломает глаза. Плохо, когда большая ее часть не в фокусе, а она такая большая.
        +34
        Попытка понять смысл вещества, ломает мозг получше.
          +44
          Запятая в вашем предложении тоже неплохо подходит для этой цели.
            +19
            В моих предложениях, зачастую, выпадает конденсат из запятых.
          +6
          В фокусе не человек, а то, что он держит в руках. Как же, простите, снимать такое по другому?
            –3
            Вообще, чисто технически, чтобы в фокусе был и человек и полимерная пленка, необходимо увеличить глубину резкости. Любой фотолюбитель подскажет, как это сделать. Но здесь не в том суть.

            Вопрос в том, что хотели передать этой фотографией?

            Варианты:

            • Небольшой размер пленки? — тогда можно было бы сравнить с чем-то размер чего известен (а не с человеком не в фокусе)
            • Момент озарения или достижения какого-то феноменального результата — тогда ИМХО фотка неудачна

            Суть моей претензии был в том, что мне, как человеку не обладающему идеальным зрением, трудно смотреть на большую фотографию, у которой 95% изображения не в фокусе. Начинают болеть глаза.
          –11
          >> охлаждённых до нескольких десятков нанокельвинов
          И такое бывает? В голове всплыло микроцельсий.

          Гугл не навел на цель, расскажите пожалуйста.
            +4
            1 нанокельвин = 10-9 кельвинов. Т.е. Температура 0,000000001 К
              +2
              Если Википедия не врет, то в том эксперименте была температура 170нК (1,7*10-7К).
                +5
                Даже спорить не буду :) Я просто отвечал на вопрос о том, что такое нанокелвин.
              0
              Нанокельвин — одна миллиардная часть Кельвина.
                –3
                Интересно, такая температура считается нанотехнологиями?
                  +36
                  Нанотехнология — это одна миллиардная часть технологии, очевидно же.
                    +2
                    Шутка про Сколково и Нанотехнологии.
                      +4
                      Наноехнологии в Сколово такие же, как и ваша шутка. Вроде она есть, а вроде и нет.
                +5
                — Удалено. Практически дословный повтор предыдущих двух комментаторов.
                  +1
                  Бывает, обычно для этого атомы охлаждают лазером.
                    0
                    Спасибо. Собственно смысл приставки нано понятен.
                    Только никогда не встречал чтобы так писали. И к тому же не знал что до такой степени умеют охлаждать.

                    А вот про то что лазером тем более. За это отдельное спасибо, почитаем.
                  +3
                  конденсат из фотонов

                  Мозг отказывается это себе представить. Как это?
                    +27
                    То есть фотон вы можете представить, а конденсат из фотонов уже нет?
                      +2
                      Что такое фотон — хотя бы понятно более менее
                        +13
                        Вы уверены?
                          +6
                          Да, уверен, что мне в общих чертах понятно, что такое фотон. Представить его себе я тоже, боюсь, не в состоянии.
                      +10
                      В контексте статьи конденсат — это частицы находящиеся в состоянии покоя. Для фотона — частицы не имеющей массы покоя, это действительно сложно представить :)
                        0
                        Нет такого понятия «состояние покоя» для квантового объекта. (Бозе-конденсация — заведомо квантовый эффект, все объекты в обсуждении — квантовые.) Есть понятие «основное состояние».

                        Ну, в том эксперименте, где «конденсировали» фотоны, видимо, основное состояние как раз было у «существующих» фотонов, за счёт зеркал, которые делали их несвободными. У свободного фотона «основное состояние» — это исчезновение.
                          +3
                          «Нет такого понятия «состояние покоя» для квантового объекта.»

                          Ну не придирайтесь уже к терминам так, есть релятивистская масса покоя, о чем я и вел речь)
                          Фотон, как частица не имеющая массы покоя, не может существовать в виде статичного конденсата. То есть здесь проблема не столько понимания квантовых эффектов, сколько понимания квантовых терминов))
                      –8
                      Погуглите, ну же.
                        +3
                        Каждый гуглит сам за себя…
                        +2
                        Фотончики замерзшие капельками на стенках оседают… И светятся)) Почти фотонный иней получается.
                        Хотя физический смысл на самом деле наверно единицы понимают, если серьезно.
                          +1
                          Про это хорошо сказал Ландау: мы можем понять то, что не можем представить :)
                        +6
                        Бозе-кондексат магнонов при комнатной температуре вроде как давно был получен
                        www.nature.com/nature/journal/v443/n7110/abs/nature05117.html
                          +1
                          оптоэлектронных устройств на основе конденсата Бозе-Эйнштейна в высокопроизводительных вычислениях.


                          Похоже можно ожидать биткоин майнеров на основе оптических вычислений
                            –1
                            К тому времени, как такие устройства появятся, уже все возможные биткоины будут намайнены.
                            0
                            Теперь можно будет коробочку фотонов собрать?
                              +1
                              Телескопы будут ловить фотоны с далеких звезд и продавать их через интернет. Доставка — по оптическому кабелю. Коллекционировать фотоны станет модно среди богатых людей. В основном потому, что для поддержания состояния конденсата требуется много энергии (то есть денег).
                                +19
                                image
                                  +5
                                  100 грамм фотонов? Ололо.
                                    0
                                    E=mc² же, все в порядке.
                                      +2
                                      Просто прикиньте энергию, которую несёт такое количество фотонов.
                                        –4
                                        Не, не всё. Это энергия покоя частиц, обладающих массой покоя. К фотонам это не относится, они не обладают массой покоя.

                                        P.S. прежде, чем спорить, хотя бы разберитесь, откуда эта формула взялась.
                                          +1
                                          Спасибо, но ваш совет разобраться перенаправляю обратно вам — речь-то идет о релятивистской массе фотона, про нулевую массу покоя и школьник знает. А релятивистская масса как раз ровно так же вытекает из этой формулы и, как можно заметить, определяется исключительно энергий фотона или, что чуть проще, его частотой (E = hv). Но для 100 грамм нужна действительно гигантская энергия, как заметил господин выше.
                                            +1
                                            Господа минусующие, вам так же советую просветиться: math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/photon_mass.html
                                              +2
                                              Сами-то читали? Вот конспект того, что там написано:
                                              Релятивистская форумула энергии: E^2=m^2c^4+p^2c^2
                                              Энергия фотона E^2=p^2c^2 — массы тут никакой нет, есть только импульс (который связан с частотой фотона). В классической физике отсутствие массы привело бы к отсутствию импульса, а тем не менее у фотона импульс есть.

                                              Причина? Здесь следует интересный философский момент: в релятивиской физике, а особенно — физике элементарных частиц (к которым, говорят, относится и фотон) понятие скорости не так важно, как понятие импульса. Больше того, импульс не просто ставится во краю угла, он объединяется с энергией в 4-импульс. p^\mu=\left(\begin{matrix}E/c \\ p_x \\ p_y \\ p_z\end{matrix}\right)
                                              Вышепреведённые формулы перепишутся как:
                                              p^{\mu}p_\mu = p^2 = m^2c^2
                                              Для фотона m=0,
                                              p^2 = 0
                                              Всё.

                                              Можно упомянуть, что тут же появляется отличное математическое определение виртульных частиц. А именно: для них эта формула не верна. Если квадрат четырёхимпульса не равен нулю, фотон виртуальный. Если квадрат четырёхимпульса не равен массе покоя (на скорость света в квадрате), то это виртуальная массивная частица.
                                              Очень часто работают в системе единиц, где c=1, тогда эти формулы становятся вообще неприлично простыми.

                                              А теперь немного о том, с чего начали — откуда взялась формула E=mc^2

                                              Итак, берём самую первую формулу и выражаем энергию: E=\sqrt{m^2c^4+p^2c^2}
                                              Нам хотелось бы, чтобы при низких импульсах эта физика совпадала с хорошо нам знакомой классической физикой, в которой E=E_0 + p^2/m
                                              E0 здесь — некая точка отсчёта, выражает тот факт, что энергия сама по себе не важна и важна только разница энергий.
                                              Если разложить корень в ряд по импульсу и оставить два первых слагаемых получится именно вот эта формула, причём для E0 получается то самое знаменитое выражение. То есть, эта формула Эйнштейна появляется как способ согласования его релятивистской физики и хорошо известной и отлично работающей классической физики. И это согласнование должно быть обязательно — релятивисткая физика обязана объяснять всё то, что объясняет классическая, из неё предельным переходом получается классическая физика. В данном случае, предельный переход состоит в том, что в приближении малого импульса мы пожертвовали слагаемыми p^4 и более высокой степени как ничтожно малыми по сравнению с p^2.
                                              А фотоны тут вообще не при чём.
                                                0
                                                Какой же вы упёртый. Я ещё раз говорю: речь идёт о релятивистской массе, вы упоминаете исключительно массу покоя. Да, я читал то, что там написано, там (то, что вы опустили) в центре черным по белому:

                                                Вы разницу между m_{rel} и m_{rest} понять можете?
                                                  –1
                                                  Я не понимаю, что такое m_{rel}. То есть, я понимаю, бла-бла, масса возрастает, но зачем это понятие вообще кому-то понадобилось (кроме красивых популярых слов, что «масса возрастает») — не понимаю.

                                                  Никто в физике давно уже не считает, что «масса возрастает». Нет такого понятия, «релятивистская масса». Есть масса частицы. Она постоянная. Она — свойство частицы, никак не может зависеть от того, что с частицей происходит. Это как заряд, спин, и другие собственные свойства частицы, которые никак не меняются при движении, появлении других частици и так далее. Масса тут почему должна быть особняком? Тем более в ОТО, где масса спрятана в тензор энергии-импульса, ни о какой «релятивистской» массе говорить просто не имеет смысла — есть только импульсы.

                                                  Есть понимание массы как гравитационного заряда, как меры инертности, и есть принцип эквивалентности (основополагающий для ОТО), утверждающий, что это вообще одно и то же. Момент неочевидный. Как сюда вписать это ваше «возрастание массы»?

                                                  Есть четырёхимпульс. Если формула «квадрат четырёхимульса равен квадрату массы», верная для любых реальных объектов (формула как я писал выше, из СТО). Больше того, захотим учесть электромагнитное поле — изменим вид импульса (учтём в нём 4-потенциал поля, очевидно), опять всё получается красиво. Как сюда вписать «возрастание массы»?

                                                  Дальше — больше. Строим квантовую теорию. Строим как обычно: заменяем импульс оператором ипмульса, который дифференциальный. Опять всё получается, только нужно брать не сам импульс, а его усреднение по состоянию. (По дороге придётся построить теорию поля на понятии «вакуумного состояния» и операторах рождения и исчезновения частиц.) Опять, как сюда вписать это ваше возрастание массы?

                                                  Эта ваша «релятивистская масса» только сбивает с толку. Это такая красивая сказка для журналистов, чтоб отстали. А вы не читайте журналистов. Читайте Ландау-Лифшица.
                                                    +1
                                                    > Нет такого понятия, «релятивистская масса».
                                                    Есть, просто вы о нём не знаете. Из самого доступного: возьмите второй том Фейнмана да или хоть любую книгу по СТО. Это понятие действительно сейчас не очень часто используется в виду путаницы, которое оно вносит (ваша реакция — отличный на то пример), но оно есть. А по Ландафшицу я и сам учился, спасибо :)
                                0
                                О сколько нам открытий чудных готовят полимеры!
                                Две статьи про полимеры в сутки.
                                Как раз сегодня написал про использование полимеров для выработки электроэнергии.
                                В той тематике первопроходцами были советские ученые.
                                  –2
                                  А потом тематика сменилась и полимеры… Впрочем, не важно.
                                    –2
                                    Только жалко что Россия уже про… пустила все полимеры :(
                                    0
                                    Интересно, сколько всего существует возможных состояний вещества?
                                      +14
                                      Если мы говорим об агрегатных состояниях вещества, то традиционно выделяют три: твердое тело, жидкость и газ.

                                      Существует еще всякая «экзотика»: жидкие кристаллы, плазма, конденсат Бозе-Эйнштейна. В термодинамическом смысле существуют еще состояния, например сверхтекучесть или сверхпроводимость.

                                      Если мы полезем в дебри физики твердого тела (или, более обще — физика конденсированного состояния вещества), то обнаружим невероятное количество интересных эффектов, возникающих в веществе.

                                      Например, представьте себе атом водорода: положительно-заряженное ядро, вокруг которого вращается электрон. А теперь взгляните на рисунок сверху (выглядит как точка и окружность вокруг нее). Мысленно «подтяните» точку на себя, «приподняв» ее над плоскостью. Таким образом, электрон вращается вокруг атома, но как бы смещен. Это называется, вроде, экситон. (ссылку на вики не дам — там ничего не понятно xD)

                                      Чуть выше обсуждали энергетические состояния. Это совсем другая песня, которую тяжело честно объяснить без квантовых дебрей.

                                      Кстати, пользуюсь случаем, прошу обратить внимание на мой вопрос в Тостере. Нужно ли Хабру такое просвещение или нет?
                                        0
                                        > экситон

                                        Так этож квази-частица.
                                          +25
                                          А это никак не противоречит моим словам =)

                                          Квазичастика — это просто понятие в физике, введенное с одной лишь целью — упрощение описания того или иного явления (в том числе математическим языком).

                                          Другими словами это условность, которой при которой придуманным объектам приписываются свойства, которые физически и логически невозможно понять.

                                          Простой пример: существует понятие электронная «дырка» или вакансия. То есть, если у нас массив электронов (со строгом определенными местами, где они могут размещаться), но в их большой компании одного элемента не хватает (мысленно уберите на картинке один шарик).


                                          Представьте себе такую вот большую решетку, но без одного элемента в структуре.

                                          Так вот, я утверждаю что такая дырка имеет эффективную массу!

                                          Простая аналогия для тех, кто не очень хорошо понял. Представьте себе, что вы повисли на люстре Большого театра. Сверху вы видите очень много красных кресел (вакансии или «дырки»), на которых сидят люди в черных костюмах (электроны). Но одно место свободно. И каждый человек постоянно пересаживается на освобождающееся место. Кстати, это называется миграция электрона человека.

                                          Поэтому сверху кажется, что красная точка (кресло :D) движется. Поэтому, мы можем дать ему определенные свойства, присущие человеку-электрону, типа скорость движения и масса. Хотя с бытовой точки зрения, как может «дырка» (то есть ничего) иметь скорость и массу?

                                          Кстати, вопрос, что быстрее движется (а значит имеет меньшую массу), человек или кресло? ;D

                                            +6
                                            В будущем, когда введут понятие «интеллектуального изнасилования» вас посадят! Хотя скорей всего высшей мерой в будущем будет ограничение скорости интернетов.
                                              +20
                                              Печально, но факт ;)
                                              Мне даже в голову не пришло, что это может быть слишком сложно или «телега слишком длинная».

                                              Но не все же вам котиков в интернетах разглядывать ;) по крайней мере, я никого не заставляю читать, можно просто лепить мне минусы только из-за критического объема непонятных слов ;) будет мне поделом, людей грузить xD
                                                +2
                                                Думаю, если вы соберете информацию в пост, то будет еще лучше.
                                                  +3
                                                  Пожалуйста, продолжайте грузить. Ваши аналогии человеческим языком стоят всех учебников физики, исключая занимательную физику, которые я читал!
                                                    +2
                                                    Ну мало читали, значит. Скажем, в «Электроны, электроны...» (А. Шилейко, Т. Шилейко) практически таким образом объясняется вся электродинамика. И квантовые эффекты впридачу.
                                                      0
                                                      Как скажете. Ловите статью!
                                                        0
                                                        Хммм, пишет что в черновиках…
                                                          0
                                                          Было дело, мне подсказали на скомканность мыслей в некоторых местах — исправлял. Сейчас всё должно быть в порядке.
                                                      0
                                                      Мне даже в голову не пришло, что это может быть слишком сложно или «телега слишком длинная».

                                                      Неправда) на данный момент это самое классное описание, которое я видел.
                                                  +2
                                                  А электрон в типичном его понимании тоже квазичастица. Когда вы говорите про «эффективную массу», «подвижность» электрона в кристаллической решётке полупроводника, или же рассматриваете притяжение электронов и образование пар Купера в кристаллической решётке сверхпроводника, вы под словом «электрон» имеете ввиду не частицу «электрон», а квазичастицу «электрон в кристаллической решётке».
                                                    0
                                                    Нормальные частицы, в отличие от сабжа, можно классифицировать, например по величине спина, заряду и т.д.
                                                    Квазичастица — это некая абстракция. Да, при некоторых условиях и электрон можно рассматривать как квазичастицу, для упрощения понимания его свойств и поведения. Но сабж же, это в чистом виде квазичастица, чистая абстракция.
                                                      +2
                                                      Не знаю, насколько это вас удивит, но у квазичастиц тоже может быть спин, заряд, чётность, масса и прочие параметры. Например, спин «фонона» (элементарное колебание кристаллической решётки) равен нулю, т.е. это бозон и поляризация у него всегда одна. (Спин фотона равен единице, поляризаций должно быть три, но нулевой нет, т.к. он безмассовый, так что остаётся две линейно независимых).

                                                      Вообще сама идея введения квазичастиц состояла в том, чтобы использовать для них абсолютно тот же самый математический аппарат, как и для «обычных» частиц. Раз аппарат такой же, значит подразумеваются и те же самые свойства. Описание процессов в терминах квазичастиц получается проще потому, что так частиц в формулах получается меньше.
                                                        0
                                                        Хорошо, убедили :)
                                              +4
                                              Прошу простить за опечатки — спешил донести мысль, переживал, что меня кто-нибудь опередит. Надеюсь на качество восприятия это не очень сильно повлияло.
                                                0
                                                А мне вот что интересно. Я правильно понимаю, что теоретически такие пластинки могут быть использованы для сверхбыстрой передачи информации за счет квантовой запутанности?
                                                Т.е. если такая пленка проявляет квантовые свойства на макроуровне, то две таких пленки (два набора бозонов) могут быть квантово запутаны. И мы получим канал связи, способный передавать информацию на любое расстояние с задержкой ноль.
                                                Поправьте, пожалуйста, если не прав.
                                                  0
                                                  Эффект квантовой запутанности не может быть использован для мгновенной передачи информации.
                                                    0
                                                    Но может использоваться для шифрования с общим ключом?

                                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                Самое читаемое