Ein Weg, Atome auf fast den absoluten Nullpunkt abzukühlen, wird vorgeschlagen. Damit wird eine der Haupthürden für eine große wissenschaftliche Entdeckung überwunden, die zur Entwicklung von Materialien mit völlig neuen Eigenschaften führen könnte.
Rechnungen zeigen, dass es theoretisch möglich ist, Atome in einem optischen Gitter zu „quetschen“, bis die gesamte Wärme aus ihnen „gepresst“ist
Trotz der Tatsache, dass die Entwicklung bisher eine rein theoretische Forschung ist, sind die praktischen Aussichten hier so groß, dass die amerikanische Verteidigungsentwicklungsagentur DARPA einen Teil ihrer Finanzierung übernahm. 2008 wählte er drei Wissenschaftlerteams aus, denen eine ehrgeizige Aufgabe übertragen wurde: die Atome im „Lichtkristall“des optischen Gitters zu „fangen“.
Ein solcher „Kristall“ist ein dreidimensionales Gitter aus Laserstrahlen, in dessen jeder Zelle ein (und nur ein) Atom eingefangen werden muss. Es ist klar, dass ein solches Gitter – die Größe und Form der Zellen – recht einfach zu kontrollieren ist. Damit steht Entwicklern ein wunderbares, einfaches und effektives Werkzeug zur Verfügung, um verschiedenste kristalline Substanzen zu modellieren und neu zu erschaffen, was auch für die Quantencomputer der Zukunft wichtig ist.
Das Militär setzte eine strenge Frist für den Abschluss der ersten Phase des Projekts – Juni 2009.- aber bisher kann keine der Forschungsgruppen entscheidende Erfolge vorweisen. Das Problem ist, dass Wissenschaftler Atome nicht auf ausreichend tiefe Temperaturen herunterkühlen können: Selbst das Bose-Kondensat ist zu heiß für diese Aufgabe.
Bose-Kondensat ist ein besonderer Aggregatzustand, der aus Partikeln besteht, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. In dieser Kälte hört die chaotische Teilchenbewegung praktisch auf und die Gesetze der Quantenwelt kommen zum Vorschein.
Bose-Kondensate haben viele erstaunliche Eigenschaften – zum Beispiel Suprafluidität (um es einfach auszudrücken, wenn Sie es in ein Gefäß gießen, steigt es entlang seiner Wände auf und „fließt“heraus) – und wurden von Einstein vorhergesagt, basierend auf den Werken von Shatyendranath Bose. Allerdings gelang es ihnen, sie fast hundert Jahre später ins Labor zu bringen – wofür bald der Nobelpreis verliehen wurde. Lesen Sie mehr über diese "Jagd nach Bose-Kondensat" im populären Wissenschaftsthriller K alte Berechnung.
Die Technik zur Herstellung von Bose-Kondensat besteht darin, Atome mit einem Laser zu kühlen (derselbe Artikel beschreibt, mit welchem Trick Sie einen Laserstrahl verwenden können, um nicht alles hintereinander zu verbrennen, sondern eine bestimmte Gruppe von Atomen zu kühlen). Die erste Tiefsttemperatur, die Wissenschaftler für ein Bose-Kondensat erreichen konnten, liegt bei 170 nK – also 170 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (−273 Grad Celsius). Und heute wurde dieser Wert weiter gesenkt – auf 500 pK (500 Billionen Kelvin). Und Professor Tin-Lun Ho und seine Gruppe waren von Anfang an aktiv an dieser Entwicklung ultraniedriger Temperaturen beteiligt – obwohl noch niedrigere Temperaturen benötigt werden, um Atome in einem optischen Gitter zu „speichern“.
Und im April präsentierte das Team von Tin Lun Ho, das im Auftrag von DARPA damit beschäftigt war, eine mögliche Lösung für dieses Problem. „Damit das ganze Problem gelöst werden kann, ist es absolut notwendig, extrem niedrige Temperaturen zu erreichen“, erklärt Professor Ho, „Und obwohl alle drei Teams während ihrer Arbeit erhebliche Fortschritte gemacht haben, ist es bisher die Unfähigkeit, diese Temperaturen zu erreichen das sie daran gehindert hat, Ergebnisse zu erzielen. Wir haben den ersten Vorschlag gemacht, wie man eine starke Temperatursenkung erreichen kann.“
Hierfür schlägt Ting Lun Ho vor, nicht Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin), wie in einem Bose-Kondensat, sondern Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) zu verwenden. Und wenn sie erhitzt werden (denken Sie daran, dass die Temperatur ein Maß für die ungeordnete (thermische) Bewegung von Teilchen ist), werden die Werte der Fermion-Spins chaotisch verteilt.
Aber wenn wir Fermionen in ein Gitter aus Laserstrahlen nehmen und die Strahlungsenergie allmählich erhöhen, wird ein bestimmter Schwellenwert erreicht, bei dem sich Fermionen in geordneten Paaren in Zellen zu gruppieren beginnen. Die Fermionen in einem Paar haben entgegengesetzt gerichtete Spins, die sich gegenseitig aufheben, die Fermionen kommen in einen hochgeordneten Zustand und die Energie wird aus dem System entfernt. Nach den Berechnungen von Ho und seinen Kollegen wird diese Energie an die äußeren Grenzen des optischen Gitters übertragen, wo das Bose-Kondensat sie absorbiert und verdampft.
Danach lässt sich die Leistung von Laserstrahlen reduzieren, indem der „Energiedruck“auf den Teilchen im optischen Gitter nachlässt und sie sich einzeln über seine Zellen verteilen lässt – aber bereits auf unglaublich niedrige Temperaturen gekühlt.
" Das ist die Strategie Teile und herrsche", sagt Ting Lun Ho. - "Separieren" bedeutet hier - überschüssige thermische Bewegung, Entropie aus dem System entfernen. "Erobern" - Entropie vollständig loswerden, durch die Verdunstung des Bose-Kondensats.
Laut Pressemitteilung der Ohio State University
