Sammenhængende materiebølger

Sammenhængende materiebølger

Dmitry Parashchuk,
læge i fysiske og matematiske videnskaber
"Kemi og liv" 3, 2007

Vi er omgivet af objekter af visse størrelser; vi ved præcis, hvor vores krop slutter, og vi er sikre på, at kun en person kan sidde komfortabelt i en stol. Men i verden af ​​meget små ting eller i mikrokvantumverdenen er alt ikke så prosaisk: stolen og bordet, reduceret omkring ti milliarder gange til størrelsen af ​​atomer, taber deres klare grænser og kan endda tage et sted i rummet uden at forstyrre hinanden . Årsagen er, at kvanteverdenens genstande er mere som bølger, der trænger ind i hinanden, end objekter, der er begrænset i rummet. Derfor kan du i mikroquantum-verdenen sidde på en stol og tre af os og ti mænd.

Ting som bølger

For at opleve bølgeegenskaberne eksperimentelt skal objekterne laves ikke kun små, men også meget kolde, det vil sige med en meget reduceret hastighed af atomernes kaotiske bevægelse. Så atomerne skal afkøles til en milliarddel af en grad Kelvin, og bølgeegenskaberne i bordet og stolen fra macroworld bør bemærkes ved utænkeligt små temperaturer – koldere end 10-40 K.

En bemærkelsesværdig egenskab af bølgerne er deres evne til sammenhængende foldning. Sammenhængende betyder konsekvent ordnet i tid eller i rummet. Et eksempel på tidssammenhængende lydbølger er musik. Hver lyd af melodien, dens højde, varighed og styrke er i en strengt defineret korrespondance med hinanden.

Dirigenten af ​​symfoniorkesteret holder øje med sammenhængen i lydstrømmen af ​​hundredvis eller endda tusindvis af lyde. Vi vil se svækkelsen af ​​sammenhæng som en falsk lyd, og dens fuldstændige tab som støj. Faktisk skelner sammenhængen melodien fra det usammenhængende sæt lyde. På samme måde kan i sammenhængen af ​​objekternes bølgeegenskaber give dem helt nye kvaliteter, som ikke kun er meget usædvanlige, men også vigtige for at skabe nye materialer, som radikalt kan ændre eksisterende teknologier. Det er ikke tilfældigt, at næsten halvdelen af ​​Nobelprisen i fysik uddelt i de sidste ti år er forbundet med sammenhængende fænomener: i laserstråling (2005), i kolde atomer (1997, 2001), i flydende helium (1996) og i superledere (2003).

De fleste af de indenlandske nobelpristagere i fysik modtog deres priser for sammenhængende fænomener: Peter Kapitsa (1978), Lev Landau (1962),Nikolay Basov og Alexander Prokhorov (1964), Alexey Abrikosov og Vitaly Ginzburg (2003).

Let sammenhæng

Begrebet sammenhæng dannet i begyndelsen af ​​XIX århundrede efter eksperimenterne fra den engelske forsker Thomas Jung. I dem faldt to lysbølger fra forskellige kilder på skærmen og foldede. Lyset fra to almindelige pærer, som giver usammenhængende stråling, opsummeres simpelthen: Belysningen af ​​skærmen er lig med summen af ​​belysningen fra hver lampe. Mekanismen her er dette. For lysbølger fra pærer ændres faseforskellen vilkårligt over tid. Hvis to bølgelængder nu er ankommet til et punkt på skærmen, så kan i det mindste et minimum komme fra en lampe og et maksimum fra en anden. Resultatet af tilsætningen af ​​bølger vil give "krusninger i vandet" – et ustabilt interferensmønster. Ripples af lysbølger er så hurtige, at øjnene ikke har tid til det og ser en ensartet oplyst skærm. Tilsvarende fra lydens verden er det støj.

Fig. 1. Når skærmen er belyst med to laserstråler, opstår der et interferensmønster fra skiftende lyse og svage bånd (interferogram fra Laboratory of Adaptive Optics i Shatura Department of Moscow State Open University). Billede: "Kemi og liv"

Resultatet vil være helt anderledes, hvis to sammenhængende bølger sættes til skærmen (figur 1).Sådanne bølger opnås let fra en enkelt laserstråle, opdele den i to dele og derefter tilføje dem sammen. Derefter vises båndet på skærmen. Lys er områder af skærmen, hvor lysbølge maxima altid ankommer til samme tid (i fase). Den bemærkelsesværdige optiske effekt er, at belysningen ikke vil stige to gange, som i tilfælde af usammenhængende bølger, men fire. Dette sker fordi i det lyse band hele tiden tilføjes maksima for bølgerne, det vil sige deres amplituder, og lysstyrken er proportional med kvadratet af summen af ​​amplituderne af bølgerne. I svage bånd afbryder sammenhængende bølger fra forskellige kilder hinanden.

Forestil dig nu mange sammenhængende bølger, som kommer til et bestemt punkt i fasen. For eksempel tusind bølger. Så vil belysningen af ​​det lyse område øges med en million gange! Sammenhængende stråling er stort omkring 1022, antallet af atomer giver en laserstråle. Opfindelsen af ​​principperne for hans arbejde bragte i 1964 Nobelprisen i Fysik til de amerikanske Charles Townes og to sovjetiske fysikere Nikolai Basov og Alexander Prokhorov. I 40 år har laseren trængt ind i vores hverdag. Med hjælp hjælper vi f.eks. Med at gemme informationer på cd'er og sende den via optiske fibre over store afstande.

Sammenhængende materiebølger

Vores verden er designet på en sådan måde, at hver partikel af materie kan manifestere egenskaberne af en bølge. Sådanne bølger kaldes materiebølger, eller de Broglie-bølger. I 1923 foreslog den bemærkelsesværdige franske fysiker Louis de Broglie en meget enkel formel, der forbinder bølgelængden λ (afstanden mellem maxima) med partikelmassen m og dens hastighed v: λ = h / mv, hvor h er Planckkonstanten.

Den grundlæggende egenskab af bølger af enhver art er evnen til at blande sig. For at opnå ikke ensartet støj, men som det er tilfældet med lys, et lyst band, er det nødvendigt at sikre sammenhængen mellem de Broglie-bølger. Termisk bevægelse forhindrer dette – Atomer med forskellige hastigheder varierer i deres bølgelængder. Når atomerne afkøles, øges bølgelængden A ifølge de Broglie-formlen (figur 2). Og så snart dets værdi overstiger afstanden mellem partiklerne, vil de Broglie-bølger af forskellige partikler give et stabilt interferensmønster, da maksima for de bølger, der svarer til partiklernes position, overlapper hinanden.

Fig. 2. Hver partikel (atom, molekyle) kan repræsenteres som en de Broglie-bølge af en bølgepakke, hvis center svarer til partikelets centrum.Som det afkøles, det vil sige, reducerer hastigheden af ​​tilfældig partikelbevægelse, bølgelængden øges, og partiklens bølgekomponenter overlapper til sidst. (Billede: "Kemi og liv")

I et optisk mikroskop kan interferensmønsteret for de Broglie-bølger ses, hvis deres længder er ca. 1 mikron. For at gøre dette, som følger af de Broglie-formlen, bør atomets hastighed være ca. 1 cm / s, hvilket svarer til ekstremt lave temperaturer – mindre end en mikrokelvin. En sådan afkølet gas af alkalimetalatomer blev fremstillet, og i dag er det et interessant genstand for forskning. (Sådan afkøles atomer til lave temperaturer og gør ultra-præcise ure baseret på dem blev beskrevet i Chemistry and Life, 2001, nr. 10. – Bemærk. Ed.) Bemærk, at sovjetiske fysikere fra Institut for Spektroskopi af USSR Academy of Sciences ledet af Vladilen Letokhov i 1979 fremsatte og implementerede nøgleideer, på grundlag af hvilke atomer nu afkøles til ultra lave temperaturer.

Hvad er forstyrrende partikler af stof? Vi er vant til at stoffet kan repræsenteres som solide små bolde, der ikke trænger ind i hinanden.Og bølger kan tværtimod udvikle sig og trænge ind i hinanden. I analogi med lysets indblanding skal vi få et "lyst punkt på skærmen" – en lille region i rummet, hvor maksimaliteten af ​​materiens bølger er i fase. Uventet kan de sammenhængende bølger af mange og mange atomer besætte en region i rummet og danner som en superatom – en samling af et stort antal de Broglie-bølger. I kvantemekanikens sprog betyder det, at sandsynligheden for at detektere kohærente atomer i "lyspunktet" er maksimalt. Denne fantastiske tilstand af materie kaldes Bose-Einstein kondensatet. Albert Einstein forudsagde det i 1925 baseret på arbejdet hos den indiske fysiker Shatendranath Bose. I et kondensat er alle atomer i samme kvante tilstand og opfører sig som en stor bølge.

Fig. 3. Interferens illustration af to atomkondensater: a – to kondensater i separate fælder; b – efter slukning af fælderne udvides kondensaterne, der overlapper hinanden. I området for deres overlap vises et interferensmønster. (Billede: "Kemi og liv")

Bose-Einstein-kondensatet (BEC) blev eksperimentelt observeret kun 70 år senere: To grupper af amerikanske forskere offentliggjorde en rapport i 1995.I deres eksperimenter faldt atomer fra en sky af natrium- eller rubidiumdamp fanget i en magnetfælde, der faldt ud af kondensatet. Disse banebrydende værker blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2001, tildelt til Eric Cornell, Wolfgang Ketterle og Carl Viemann. Et levende billede af opførelsen af ​​de superkølede atomer, der falder ud i BEC, blev vist på forsiden af ​​decemberbladet Videnskab 1995: En gruppe af identiske blå cyborgs marcher i midten – det er BEC atomer med nul temperatur, og omkring dem cyborg af varmere farver bevæger sig kaotisk – overnaturlige, lidt opvarmede atomer. Sammenslutningen af ​​atomer, der faldt i BEC, blev demonstreret i et strålende eksperiment i 1997 af V. Ketterle med kollegaer fra Massachusetts Institute of Technology. Til dette blev den magnetiske fælde opdelt i to dele af en skillevæg af lys (figur 3a). To kondensater blev fremstillet ud fra skyer af natriumatomer, og derefter blev fælden og skillevægten slukket: skyerne begyndte at udvide og overlappe hinanden. I stedet for deres overlapning fremkom der et klart interferensmønster (figur 3b), der ligner interferensen af ​​sammenhængende laserstråler (se figur 1).Hun blev observeret i skyggen kastet af en skygge af atomer på skærmen, zebraen i fig. 3b er skyggen af ​​forstyrrende bølger af materie; mørke områder svarer til de maksimale atombølger. Det er overraskende, at når vi tilføjer atomer fra forskellige kondensater, kan deres summe give nul – "materien forsvinder" i regionen svarende til "zebra" lysbåndet. Faktisk forsvinder atomerne ikke – de koncentrerer sig kun om områder, der kaster en skygge.

Er det muligt at observere manifestationen af ​​bølgeegenskaber for mere massive objekter end atomer? Det viser sig du kan. Anton Zeilinger-gruppen fra Wien i 2003 var i stand til at observere interferensen af ​​fullerener og biomolekyler indeholdende ca. 100 atomer. For hvor store partikler af materiel vil kunne observere bølgeegenskaberne – spørgsmålet er åbent i dag.

Atom laser

Fra kvadratisk fysiks synspunkt ligner atomer og fotoner, at et stort antal af disse partikler samtidig kan være i samme kvantetilstand, det vil sige sammenhængende. For eksempel i laserstråling er alle fotoner sammenhængende: de har samme farve, udbredelsesretning og polarisation. Derfor er det muligt at opnå højeffektive sammenhængende laserstråler bestående af et stort antal fotoner i en tilstand.

Hvordan får man sammenhængende atombjælker? Ideen er enkel: Du skal omhyggeligt fælde sammenhængende atomer fra BEC, ligesom laserstrålingen udsendes fra dens resonator ved hjælp af et gennemskinneligt spejl. En sådan anordning blev kaldt en atomlaser. Den første atomlaser i 1997 skabte den samme V. Ketterle. I en sådan laser indeholder en magnetfælde af to spoler de natriumatomer, der danner BEC. Radiofeltens impulser, der søges i 5 millisekunder, udfolder atomernes omdrejninger, og de kan ikke længere fanges. Koblingen af ​​befriede atomer – strålingen af ​​en atomlaser – falder frit under tyngdekraftens indflydelse, som visualiseres ved hjælp af teknikkerne i skyggeteateret beskrevet ovenfor. I dag er atomarlasernes kraft lille: de udsender 106 atomer pr. sekund, hvilket er meget mindre end effekten af ​​optiske lasere. For eksempel udsender en konventionel laserpeger på ca. et sekund pr. Sekund.9 gange flere fotoner.

I modsætning til vægtløse fotoner har atomer en hvilemasse. Så en langt stærkere effekt på dem – interferensen af ​​sammenhængende materielbølger vil stærkt afhænge af gravitationsfeltet, afbøjning af stråler af atomer.Lad to kohærente atombjælker blande sig i deres skæringsområde på samme måde som laserstråler (se figur 1). Antag at gravitationsfeltet i en af ​​atombjælkens vej er ændret. Så vil længden af ​​denne stråle inden mødet med en anden stråle også ændres. Som et resultat vil maksimaliteten af ​​materiens bølger af to atombjælker møde på et andet sted, hvilket vil føre til et skift i interferensmønsteret. Ved at måle denne forskydning kan du bestemme ændringen i gravitationsfeltet. På baggrund af denne ide er der allerede skabt tyngdefeltfølere, der kan opdage en forskel i graden af ​​tyngdekrafts acceleration på mindre end 10-6%. De kan være nyttige både til grundforskning (verifikation af fysiske teorier, måling af konstanter) og for vigtige anvendelser inden for navigation (skabelse af præcisionsgyroskoper), geologi (lyding af mineraler) og for andre videnskaber. I science fiction forfattere, for eksempel, kan du finde et plot, når du bruger et instrument til måling af de mindste ændringer i tyngdekraften, arkæologer læse indskrifter udhugget på obelisker begravet dybt i jorden.

Sammenhængende stof

Særligt interessante virkninger opstår, når egenskaberne af de sammenhængende bølger af materie kan observeres som de makroskopiske egenskaber af et kondenseret stof, det vil sige en fast eller flydende. Et af de mest levende eksempler på sådanne egenskaber er superfluiditet i flydende helium, når det afkøles under 2,2 K. Sovjetfysikere udførte banebrydende undersøgelser af superfluiditet: dette fænomen blev opdaget af Peter Kapitsa i 1938, og Lev Landau forklarede. Superfluid helium kan strømme gennem små huller i enorm hastighed: mindst 108 gange hurtigere end vand. Hvis vi kunne fylde et almindeligt bad med overflødigt helium, så ville det strømme ud af det på mindre end et sekund gennem et hul på størrelse med et lille nåløje. I 2004 rapporterede amerikanerne Yoon Seung Kim og Moses Chan opdagelsen af ​​superfluiditet i fast helium. Deres delikate eksperiment var som følger: Fastkølet helium, som var under tryk ved en temperatur på ca. 0,2 K, blev anbragt på et torsionspendel. Hvis en del af heliumet går i en superfluid tilstand, skal frekvensen af ​​torsionsvibrationer vokse, da den overflødige komponent forbliver stationær, hvilket letter pendulets svingninger.Ifølge Kim og Chan passerede ca. 1% fast helium i superfluidet tilstand. Disse eksperimenter viser, at atomer kan bevæge sig frit gennem et superfluidt faststof, derfor er det i stand til at passere en masse materiel gennem sig selv uhindret: udsigten til at passere gennem vægge i en sådan verden virker ret ægte!

Dette fantastiske fænomen kan forklares ved atomernes bølgeegenskaber. Bølger, i modsætning til partikler, undgår forhindringer i deres vej. Lad os forklare dette ved eksemplet af indblandingen af ​​to lysstråler på skærmen. Lad os skære huller i skærmen i området for "zebra" lysbånd (interferensmønster). Det sammenhængende lys vil ikke føle en sådan hindring: skærmen er faktisk kun bevaret i de ubelyste dele af zebraen. Hvis bjælkerne ikke er sammenhængende, forsvinder en ensartet oplyst skærm med huller uundgåeligt noget af lyset. Herfra kan man forstå, hvordan sammenhængende bølger af materie overvinder forhindringer uden tab.

Et andet usædvanligt makroskopisk kvantfænomen, der er analogt med superfluiditet, er superledende, opdaget af hollandsk Heike Kamerling-Oness i 1911 i kviksølv, når det afkøles til væskeshaliumtemperaturen (Nobelprisen i 1913).Superledende elektroner bevæger sig uden modstand, forbigående hindringerne, som er den termiske bevægelse af atomer. For eksempel kan strømmen i en ring af en superleder strømme på ubestemt tid, da intet forstyrrer det. Det kan siges at superledningsevne er superfluiditeten af ​​elektronvæsken. For en sådan superfluiditet er det nødvendigt, at et stort antal ladninger er i samme kvantetilstand, såsom fotoner i en laserstråle. Dette krav kommer op over grænsen fastsat af den fremragende schweiziske fysiker Wolfgang Pauli i 1924: hvis et partikkelens centrifugeringsnummer er 1/2, som det for en elektron, så kan kun en partikel være i en kvante tilstand. Sådanne partikler hedder fermioner. For en hel spin-værdi i en enkelt kvantetilstand kan et vilkårligt stort antal partikler kondenseres. Sådanne partikler kaldes bosoner. Derfor er der brug for partikler med elektrisk ladning med en hel omdrejning for en superledende strøm. Hvis et par elektroner (fermioner) var i stand til at danne en sammensat partikel, så viste parrets spinding sig at være et helt tal. Og så vil de sammensatte partikler blive bosoner, der er i stand til at danne en BEC og give en superledende strøm.

Imidlertid kan koblede elektroner faktisk forekomme i ledere, på trods af at Coulomb-styrkerne skubber elektroner væk fra hinanden – denne ide dannede grundlaget for en teori, der forklarer superledningsevne i simple metaller (John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer, Nobelprisen i fysik i 1972 år).

BEC superfluiditet

Fig. 4. Observation af superfluiditet i et atomkondensat fra Bose-Einstein; og – kondensat (den røde) fanget af en laserstråle (den lyserøde) og magnetiske spoler (blå ringe). To yderligere laserstråler (grøn), der passerer langs kondensatets kanter, drejer rundt om systemets akse, trækker kondensatet sammen med dem; b – efter at fælden er slukket, udvides kondensatet og støder en skygge, når den lyser (rød pil). Billede: "Kemi og liv"

Så i anden halvdel af det 20. århundrede kom fysikere til den opfattelse, at BEC kan have superfluiditetsegenskaber. Naturligvis, efter at have fået gas-BEC, blev forskerne beslaglagt af ideen om eksperimenter, der demonstrerede superfluiditet i den. I 2005 præsenterede koncernen V. Ketterle det endelige bevis på gasens BEC's superfluiditet.Ideen med eksperimentet er baseret på det faktum, at superfluidvæsken opfører sig usædvanligt under rotation. Hvis vi kunne røre superfluidvæsken med en ske, som kaffe i en kop, ville det begynde at rotere ikke helt, men ville bryde op i mange små hvirvler. Desuden ville de blive arrangeret i en streng rækkefølge, der danner den såkaldte Abrikosov hvirvelgitter. Skemaet for dette filigree-eksperiment er som følger (figur 4). Gaskondensatet fanget af laserstrålen og magnetfeltet begyndte at blive roteret af yderligere laserstråler; de spundet kondensatet, som en ske, kaffe. Derefter blev fælden, det vil sige bjælkerne og spolen, slukket, og kondensatet blev overladt til sig selv. Det udvidede og gav en skygge, der lignede schweizisk ost (figur 4b). "Huller i osten" møder overflødige hvirvler. Det vigtigste ved disse eksperimenter er, at de blev udført ikke kun i en gas af bosoner (natriumatomer), men også i en gas af fermioner (lithiumatomer). Superfluiditet i lithiumgas blev kun observeret, da lithiumatomer dannede molekyler eller svage par. Dette var den første observation af superfluiditeten af ​​en fermiongas.Det lagde et solidt eksperimentelt grundlag for teorien om superledningsevne baseret på ideen om Bose-Einstein-kondensation.

Fysikere lykkes i parring af lithiumatomer ved hjælp af den såkaldte Feshbach-resonans, som forekommer i en fælde under samtidig påvirkning af felterne magnetiske spoler og laserstråler. Magnetfeltet justeres i Feshbach-resonansområdet, således at det ændrer kraftigt interaktionskræfterne mellem atomer af gassen. Du kan få atomerne til at tiltrække hinanden eller – afstøde hinanden. Fysikere har fået andre måder at kontrollere egenskaberne af superkold atomgas. En af de mest elegante er at placere atomer i det interfererende felt af laserstråler – en slags optisk gitter. I det vil hvert atom være i midten af ​​et af interferensmønsterets bånd (se fig. 1), således at lysets bølger vil holde bølgerne af materie ligesom form for opbevaring af æg. Atomer i det optiske gitter fungerer som en fremragende krystalmodel, hvor de ændrer afstanden mellem atomer ved hjælp af laserstråleparametre, og ved hjælp af Feshbach-resonans regulerer de interaktionen mellem dem. Som følge heraf har fysikere indset en gammel drøm – at få en prøve af et stof med kontrollerede parametre.Forskere mener, at supercold gas er en model af ikke kun en krystal, men også mere eksotiske former for materiale, såsom neutronstjerner og kvark-gluonplasmaet fra det tidlige univers. Derfor er det ikke uden grund, at nogle forskere mener, at superkold gas vil bidrage til at forstå de tidlige stadier af universets udvikling.

Sammenhængende fremtid

Fænomenerne superfluiditet og superledningsevne viser, at kohærensen af ​​de Broglie-bølger af et stort antal partikler giver uventede og vigtige egenskaber. Disse fænomener blev ikke forudsagt; i øvrigt tog det næsten 50 år at forklare superledningsevne i simple metaller. Og fænomenet supertemperatur i høj temperatur, der blev opdaget i 1986 i metaloxidkeramik ved 35 grader Kelvin af den tyske Johannes Bednorets og den schweiziske Carl Muller (Nobelprisen 1987), har endnu ikke modtaget den almindeligt anerkendte forklaring på trods af fysikernes enorme indsats over hele verden.

Et andet forskningsområde, hvor sammenhængende kvantetilstande ikke kan undgås, er kvantecomputere. Kun i en sådan tilstand er det muligt at udføre højtydende kvantecomputere, som er utilgængelige for de mest moderne supercomputere.

Så betyder sammenhængen bevarelsen af ​​faseforskellen mellem foldebølgerne.Bølgerne selv kan være af forskellig art: både lys og de Broglie bølger. Ved hjælp af eksemplet på gas-BEC ser vi, at et sammenhængende stof faktisk repræsenterer en ny form for stof, der tidligere ikke er tilgængelig for mennesket. Spørgsmålet opstår: kræver observation af sammenhængende kvanteprocesser i materiel altid meget lave temperaturer? Ikke altid. I hvert fald er der et meget godt eksempel – en laser. Omgivelsestemperaturen til laserdrift er normalt ikke signifikant, da laseren arbejder under forhold langt fra termisk ligevægt. Laseren er et stærkt ikke-ligevægtssystem, da der leveres energi til det.

Tilsyneladende er vi stadig i begyndelsen af ​​forskningen om sammenhængende kvanteprocesser, der involverer et stort antal partikler. Et af de spændende spørgsmål, som der endnu ikke findes noget konkret svar på – er der makroskopiske sammenhængende kvanteprocesser i dyrelivet? Måske kan livet selv karakteriseres som en særlig tilstand af materie med øget sammenhæng.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: