快速冷却以推进量子纳米技术

发布时间:2020-04-22 14:26:46 【来源:

该团队由德国凯瑟斯劳滕工业大学(TUK)和奥地利维也纳大学的物理学家领导,通过温度的突然变化产生了玻色-爱因斯坦冷凝物(BEC):首先缓慢加热准粒子,然后快速冷却他们下降到室温。他们演示了使用称为磁振子的准粒子的方法,该准粒子表示固体的磁激发量。

BEC领域的领先研究人员之一的TUK的Burkard Hillebrands教授说:“许多研究人员正在研究不同类型的玻色-爱因斯坦冷凝物。”“我们开发的新方法应该适用于所有系统。”

令人困惑和自发的

以阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和萨蒂恩德拉·纳斯·玻色(Satyendra Nath Bose)的名字命名的玻色-爱因斯坦凝聚物是令人困惑的类型。它们是粒子,它们自发地在量子水平上具有相同的行为,本质上成为一个实体。最初用于描述理想气体粒子的玻色-爱因斯坦凝聚物已与原子以及诸如玻色子,声子和磁振子等准粒子建立在一起。

创建Bose-Einstein冷凝物是一项棘手的工作,因为根据定义,它们必须自发发生。设置合适的条件来产生冷凝物意味着不要试图引入任何顺序或连贯性来鼓励粒子以相同的方式工作;粒子必须自己做。

目前,玻色-爱因斯坦冷凝物是通过将温度降低到接近绝对零值或在室温下将大量颗粒注入到一个小空间中而形成的。但是,Hillbrands和合作者于2005年首次报道了室温法,该方法技术复杂,全世界只有少数研究团队具备所需的设备和专门知识。

新方法要简单得多。它需要一个热源和一个微小的磁性纳米结构,其尺寸比人的头发的厚度小一百倍。

维也纳大学的Andrii Chumak教授说:“我们在将纳米级的微结构缩小到纳米级方面的最新进展使我们能够从完全不同的角度解决BEC。

将纳米结构缓慢加热至200°C以产生声子,进而产生相同温度的磁振子。关闭加热源,纳米结构在大约一纳秒内迅速冷却至室温。发生这种情况时,声子会逸出至基板,但是磁振子反应太慢,无法保留在磁性纳米结构中。

TUK磁性研究小组的主要论文作者和博士生Michael Schneider解释了为什么会发生这种情况:“当声子逸出时,磁子想要减少能量以保持平衡。因为它们无法减少粒子数,所以必须以其他方式降低能量。因此,它们都跳到了相同的低能量水平。”

磁振子通过自发地占据相同的能级,形成玻色-爱因斯坦凝聚体。

Chumak说:“我们从未在系统中引入连贯性,因此这是制造Bose-Einstein冷凝物的非常纯净而清晰的方法。”

意外结果

在科学中,这种情况是偶然发生的,这在科学界是很常见的。他们开始研究奇怪的事情开始发生时纳米电路的不同方面。

施耐德说:“起初,我们认为我们的实验或数据分析确实有问题。”

在与TUK和美国的合作者讨论了该项目之后,他们调整了一些实验参数,以查看奇怪的事情是否实际上是Bose-Einstein冷凝物。他们用光谱技术验证了它的存在。

该发现将主要引起研究这种物质状态的其他物理学家的兴趣。Hillebrands说:“但是,在室温下以宏观量子态的形式揭示有关磁振子及其行为的信息,可能与开发使用磁振子作为数据载体的计算机有关。”

Chumak强调了TUK OPTIMAS研究小组内部合作对于解决这个谜团的重要性。必须将他的团队在镁磁纳米结构方面的专业知识与Hillebrand在磁振子玻色-爱因斯坦凝聚体方面的专业知识相结合。他们的研究得到了两个欧洲研究委员会(ERC)资助的大力支持。

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