Жидкий свет: Ученые получили «жидкий свет» при комнатной температуре — Naked Science

Ученые впервые продемонстрировали «жидкий свет» при комнатной температуре

Благодаря техническим достижениям исследователи имеют множество способов по манипуляции материей. Зачастую открытия приводят к новым типам материи, обладающим уникальными свойствами — металлическому водороду или временным кристаллам. Открытия подобных материалов имеют потенциал в практическом применении. Один из таких материалов — так называемый «жидкий свет», который недавно удалось сформировать при комнатной температуре учеными из итальянского Института Нанотехнологий и Политехнического из Канады.

Жидкий свет можно отнести к супержидкостям, происходя от способностей частиц конденсироваться в состоянии, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна. По сути, это свет, который ведет себя подобно жидкости, в частности способность выливаться из контейнера. В обычных условиях свет имеет дуалистическую частично-волновую природу, однако в определенных условиях он может вести себя как жидкость. 

Супержидкости Бозе-Эйнштейна следуют правилам квантовой физики, а не классической Ньютоновской. Обычно они существуют лишь доли секунды при температурах близких к абсолютному нулю — по крайней мере так было раньше. 

Ведущий исследователь Даниэль Санвитто сообщил в пресс-релизе, что их наблюдение продемонстрировало существование суперхжидкости при комнатной температуре благодаря использованию световых частиц, известны как поларитоны.

Ученые достигли результата разместив 130-нанометровую пленку органических молекул между двумя зеркалами, выпустив по ним лазерный импульс продолжительностью всего 35 нанометров. Из-за сильного взаимодействия света с органическими молекулами получилось сформировать гибрид световой материи в виде супержидкости. 

«В обычных условиях жидкость колышется и движется вокруг всего, что нарушает ее поток», — объясняет Стефани Кина-Коэн — координатор команды из Монреаля. «В супержидкости эта турбулентность подавляется вокруг препятствий, заставляя поток двигаться без изменений».

Ученые полагают, что помимо дальнейшего изучения квантовой гидродинамики, открытие способно расширить изучение области девайсов на поларитонах. В частности, речь идет о создании сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. 

Больше статей на Shazoo

• Энергия при помощи термоядерного синтеза ближе к реальности благодаря новому достижению в магнитных полях
• Большой Адронный Коллайдер помог обнаружить три новые экзотические частицы
• Телескоп Хаббл обнаружил самую далекую звезду

Тэги:

Ученые ошеломлены, обнаружив жидкий свет при комнатной температуре

Что, если бы процессор вашего компьютера мог работать только при температуре ниже -200 ° C? Что ж, так обстоит дело почти со всеми квантовыми компьютерами, поскольку тепло имеет тенденцию создавать ошибки в кубитах, используемых в квантовых вычислениях. Однако недавние исследования показывают, что сжиженная электроэнергия может позволить квантовым компьютерам работать при комнатной температуре, как и ваш ноутбук, и это не единственная, казалось бы, неразрешимая проблема, которую может решить жидкий свет.

До сих пор свет всегда считался волной или потоком фотонов, и все еще происходят новые открытия , которые раскрывают новые свойства в дополнение к известной волновой и частичной природе света. Тем не менее, возможность существования световой энергии в жидкой форме при комнатной температуре может оказаться революционным открытием, возможно, однажды преобразившим энергетический сектор или даже изменившим представление о технологиях будущего.

Жидкий свет и происхождение сверхтекучих жидкостей

С. Н. Бозе и Альберт Эйнштейн. Источник: Фердинанд Шмутцер / Wikimedia Commons

Жидкий свет можно отнести к категории сверхтекучих, что связано со способностью частиц конденсироваться в состоянии, известном как  конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) .  Сверхтекучие конденсаты Бозе-Эйнштейна подчиняются правилам квантовой физики, а не классической физики. Они могут переносить и проводить электроэнергию, но обычно существуют лишь доли секунды и при почти абсолютных нулевых температурах. Однако публикация в журнале Nature Physics  в 2017 году  показала, что это не всегда необходимо.

В начале 1920-х годов индийский ученый Сатьендра Нат Боз прислал Альберту Эйнштейну статью, в которой он вывел закон Планка для излучения черного тела, рассматривая фотоны как газ идентичных частиц.

Эйнштейн обобщил теорию Бозе на идеальный газ из идентичных атомов или молекул, для которого сохраняется число частиц. Он также предсказал, что при достаточно низких температурах частицы будут заблокированы вместе в самом низком квантовом состоянии системы. Это явление, которое мы теперь называем конденсацией Бозе-Эйнштейна.

Бозе и Эйнштейн также работали вместе над разработкой статистики Бозе-Эйнштейна, процесса оценки возможных состояний квантовых систем , содержащих идентичные частицы с целым спином.

В последующие годы многие теории и эксперименты пытались получить БЭК в лаборатории. Однако только 5 июня 1995 года ученые Эрик Корнелл и Карл Виман создали первый конденсат в лаборатории Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Университете Колорадо, охладив облако из 2000 атомов рубидия примерно до абсолютного ноля.

За этим последовало создание большего конденсата из атомов натрия всего несколько месяцев спустя группой под руководством Вольфганга Кеттерле, профессора физики Массачусетского технологического института. Эти ранние эксперименты Корнелла, Веймана и Кеттерле способствовали дальнейшему развитию других БЭК, и за этот исключительный вклад все трое были удостоены Нобелевской премии по физике 2001 года.

Как жидкий свет может существовать при комнатной температуре?

В 2017 году группа исследователей из Политехнического института Монреаля, Канада, и итальянского Института нанотехнологий CNR объединились для проведения эксперимента, который продемонстрировал, что свет может достигать сверхтекучего состояния при комнатной температуре.

Во время эксперимента 2017 года ультратонкая пленка, состоящая из органических молекул, была зажата между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью, и эта установка была дополнительно подвергнута воздействию лазерного излучения 35 фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунд). Это интенсивное взаимодействие света и вещества привело к образованию сверхтекучей жидкости.

«Необычайное наблюдение в нашей работе состоит в том, что мы продемонстрировали, что сверхтекучесть может также возникать при комнатной температуре в условиях окружающей среды с использованием частиц легкой материи, называемых поляритонами».

Даниэле Санвитто, исследователь, CNR Nanotec

По словам исследователей, «  фотоны взаимодействуют с электронными парами, называемыми экситонами, в полупроводнике. Эти экситоны создают дипольный момент, который сочетается с диполем электромагнитного поля и сильно связывает экситоны и фотоны. Конечным результатом является поляритон, рассматриваемый как квазичастица, состоящий из полусвета и полуматерии, который ведет себя как конденсат Бозе-Эйнштейна или сверхтекучая жидкость даже при комнатной температуре ».

Этот BEC также называют жидким светом.

Далее они добавляют, что «Таким образом, мы можем объединить свойства фотонов, такие как их эффективная масса света и быстрая скорость, с сильными взаимодействиями из-за электронов внутри молекул. В нормальных условиях жидкость колеблется и кружится вокруг всего, что мешает ее потоку. В сверхтекучей среде эта турбулентность подавляется вокруг препятствий, заставляя поток продолжать свой путь без изменений «.

 Возможные применения жидкого света

Производство жидкого света при комнатной температуре обещает интересные разработки в области электроники, здравоохранения, науки о данных и многих других областях:

Количество транзисторов, установленных на полупроводниковом кристалле, обычно увеличивается в два раза каждые два года (также известный как закон Мура ).  Этот рост необходим для удовлетворения растущих потребностей в увеличении скорости, необходимой для быстрой передачи данных. В 2016 году исследователи из Кембриджского университета создали поляритонный переключатель, способный передавать электрооптические сигналы с высокой скоростью. Это устройство на основе жидкого света может преодолеть физические и технические ограничения, с которыми сталкиваются современные транзисторные микросхемы.

В исследовательской статье  под названием «  Феноменологические последствия сверхтекучей темной материи с барион-фононным взаимодействием», опубликованной в сентябре 2018 года, предполагается, что темная материя (85% материи во Вселенной — это темная материя) также является сверхтекучей. Если эта теория окажется верной, то есть вероятность, что дальнейшие исследования жидкого света (который также является сверхтекучим) могут улучшить наше понимание темной материи и темной энергии.

Существует вероятность того, что жидкий свет можно будет хранить и сохранять для последующего использования, это будет иметь огромное применение, потому что в настоящее время электрический ток не может легко храниться в больших количествах. Электроэнергия должна производиться и использоваться непрерывно, что является ограничивающим фактором в развитии более устойчивой энергетической системы. Следовательно, способность хранить электроэнергию при комнатной температуре может оказаться неоценимой для разработки более устойчивых источников энергии.

Исследователи из Института CNR и Политехнического института Монреаля также предполагают, что технология жидкого света может привести к разработке более совершенных и эффективных версий лазерного оборудования, компьютеров, солнечных панелей и электронных устройств на основе светодиодов.

От квантовой статистики до квантовых компьютеров наши знания о БЭК и жидком свете прошли долгий путь, но сможет ли эта заряженная сверхтекучая жидкость когда-либо стать эффективным и распространенным решением для наших энергетических потребностей? Ответ в будущем.

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Source:
interesting engineering

Теги: ДанныеМикроэлектроникаТранзисторыФизикаФотоника

Ученые впервые демонстрируют «жидкий свет» при комнатной температуре

Футуризм

6. 20. 17 автор Кристианна Риди

/ Hard Science

Этот материал может привести к прорыву в светодиодах, солнечных панелях и лазерах.

/ Твердые науки/ Жидкий свет/ Квантовая гидродинамика/ Супержидкость

6. 20. 17 , Кристианна Риди манипулирование материей. Часто это приводит к открытию новых типов материи, обладающих уникальными свойствами, таких как знаменитый металлический водород и причудливый кристалл времени. Открытие таких материалов приводит к широкому спектру потенциальных применений в электронике. Одним из них является так называемый «жидкий свет», странная материя, которую исследователи из Института нанотехнологий CNR NANOTECH в Италии и Политехнического института Монреаля в Канаде недавно впервые образовали при комнатной температуре.

Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику

Жидкий свет можно отнести к категории сверхтекучих, происходящих из-за способности частиц конденсироваться в состоянии, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна. По сути, это свет, демонстрирующий поведение жидкости, в частности, способность вытекать из контейнера. Считается, что обычный свет состоит из волн, но недавние открытия показывают, что свет также обладает жидкими свойствами.

Сверхтекучие конденсаты Бозе-Эйнштейна следуют правилам квантовой физики, а не классической физики. Обычно они способны существовать лишь доли секунды при температурах, близких к абсолютному нулю, но эта работа, опубликованная в журнале Nature Physics , доказал, что не всегда нужно.

«Необычайное наблюдение в нашей работе заключается в том, что мы продемонстрировали, что сверхтекучесть может также возникать при комнатной температуре, в условиях окружающей среды, с использованием частиц легкой материи, называемых поляритонами», — сказал в пресс-релизе ведущий исследователь Даниэле Санвитто.

Расширение возможностей

Исследователи добились этого, поместив пленку органических молекул толщиной 130 нанометров между двумя очень отражающими зеркалами, которые они затем подвергли воздействию лазерного импульса длительностью 35 фемтосекунд. Из-за сильного взаимодействия света с органическими молекулами образовалась гибридная сверхтекучесть света и материи.

Поток поляритонов встречает препятствие в несверхтекучей (вверху) и сверхтекучей (внизу). Изображение предоставлено: Polytechnique Montréal

«В нормальных условиях жидкость колеблется и кружится вокруг всего, что мешает ее течению», — объяснил в пресс-релизе Стефан Кена-Коэн, координатор монреальской команды. «В сверхтекучей жидкости эта турбулентность подавляется вокруг препятствий, заставляя поток продолжать свой путь без изменений».

Естественно, исследовательская группа искала потенциальное применение этой новой формы материи. Исследователи заявили, что помимо обеспечения лучшей опоры в изучении квантовой гидродинамики, это может также расширить исследования поляритонных устройств при комнатной температуре, особенно при создании сверхпроводящих материалов для электроники, таких как светодиоды, солнечные панели и лазеры.

«Тот факт, что такой эффект наблюдается в условиях окружающей среды, может привести к огромному количеству будущей работы, — пишут исследователи в исследовании, — не только для изучения фундаментальных явлений, связанных с конденсатом Бозе-Эйнштейна, с помощью настольных экспериментов, но также и для разработки будущих фотонных сверхтекучих устройств, в которых потери полностью подавлены и могут быть использованы новые неожиданные явления».

Поделиться этой статьей

ученых сбиты с толку, обнаружив жидкий свет при комнатной температуре

Что, если процессор вашего компьютера может работать только при температуре ниже -200°C? Что ж, так обстоит дело почти со всеми квантовыми компьютерами, поскольку тепло имеет тенденцию создавать ошибки в кубитах, используемых в квантовых вычислениях. Однако недавние исследования показывают, что сжиженная электроэнергия может позволить квантовым компьютерам работать при комнатной температуре, как ваш ноутбук, и это не единственная, казалось бы, неразрешимая проблема, которую может решить жидкий свет.

До сих пор о свете всегда думали как о волне или потоке фотонов, и все еще происходят новые открытия, раскрывающие новые свойства в дополнение к известной волновой и корпускулярной природе света. Тем не менее, возможность существования световой энергии в жидкой форме при комнатной температуре может оказаться новаторским открытием, которое, возможно, однажды изменит энергетический сектор или даже изменит представление о будущих технологиях.

Жидкий свет и происхождение сверхтекучих жидкостей

С.Н. Бозе и Альберт Эйнштейн. Источник: Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons

Жидкий свет можно отнести к категории сверхтекучих, что обусловлено способностью частиц конденсироваться в состоянии, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). Сверхтекучие конденсаты Бозе-Эйнштейна следуют правилам квантовой физики, а не классической физики. Они могут переносить и проводить электроэнергию, но обычно существуют лишь доли секунды и при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако публикация 2017 года в журнале  Nature Physics продемонстрировала, что это не всегда необходимо.

В начале 1920-х годов индийский ученый Сатьендра Нат Бозе отправил Альберту Эйнштейну статью, в которой он вывел закон Планка для излучения черного тела, рассматривая фотоны как газ, состоящий из идентичных частиц.

Эйнштейн обобщил теорию Бозе на идеальный газ, состоящий из одинаковых атомов или молекул, для которых число частиц сохраняется. Он также предсказал, что при достаточно низких температурах частицы сцепятся в низшем квантовом состоянии системы. Это явление мы сейчас называем конденсацией Бозе-Эйнштейна.

Бозе и Эйнштейн также работали вместе над развитием статистики Бозе-Эйнштейна, процесса оценки возможных состояний квантовых систем, содержащих идентичные частицы с целым спином.

Самый популярный

В последующие годы многие теории и эксперименты пытались получить БЭК в лаборатории. Однако только 5 июня 1995 года ученые Эрик Корнелл и Карл Виман получили первый конденсат в 1995 году в лаборатории Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Университете Колорадо, охладив облако из 2000 атомов рубидия почти до полный ноль.

За этим последовало создание более крупного конденсата атомов натрия всего несколько месяцев спустя группой под руководством Вольфганга Кеттерле, профессора физики Массачусетского технологического института. Эти ранние эксперименты Корнелла, Веймана и Кеттерле способствовали развитию других БЭК, и за этот исключительный вклад все трое были удостоены Нобелевской премии по физике 2001 года.

Как жидкий свет может существовать при комнатной температуре?

Источник: Даниэль Фалькао/Unsplash

В 2017 году группа исследователей из Политехнического института Монреаля, Канада, и итальянского Института нанотехнологий CNR объединились для проведения эксперимента, который продемонстрировал, что свет может достигать сверхтекучего состояния при комнатной температуре. Предыдущие исследования уже подтвердили возможность существования света в виде сверхтекучей жидкости, но во всех предыдущих экспериментах необходимо было использовать сверхнизкие температуры около абсолютного нуля, чтобы связать фотоны вместе достаточно сильно, чтобы они вели себя как молекулы и превращались в сверхтекучесть.

Во время эксперимента 2017 года ультратонкая пленка, состоящая из органических молекул, была помещена между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью, и эта установка была дополнительно подвергнута лазерному взрыву длительностью 35 фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунд). Это интенсивное взаимодействие света и материи привело к образованию сверхтекучей жидкости.

«Необычайное наблюдение в нашей работе заключается в том, что мы продемонстрировали, что сверхтекучесть может также возникать при комнатной температуре, в условиях окружающей среды, используя частицы легкой материи, называемые поляритонами».

Даниэле Санвитто, научный сотрудник CNR Nanotec

По словам исследователей, «фотоны взаимодействуют с электронно-дырочными парами, называемыми экситонами, в полупроводнике. Эти экситоны создают дипольный момент, который сочетается с дипольным электромагнитным полем. поле и сильно связывает экситоны и фотоны. Конечным результатом является поляритон, рассматриваемый как квазичастица, состоящая из полусвета и полуматерии, которая ведет себя как конденсат Бозе-Эйнштейна или сверхтекучесть даже при комнатной температуре».

Этот BEC также называют жидким светом.

Далее они добавляют, что «Таким образом, мы можем сочетать свойства фотонов, такие как их световая эффективная масса и высокая скорость, с сильными взаимодействиями из-за электронов внутри молекул. В нормальных условиях жидкость пульсирует и кружится вокруг чего угодно. это мешает его потоку. В сверхтекучей жидкости эта турбулентность подавляется вокруг препятствий, заставляя поток продолжать свой путь без изменений ».

Возможное применение жидкого света

Источник: Umberto/Unsplash

Производство жидкого света при комнатной температуре обещает интересные разработки в области электроники, здравоохранения, науки о данных и многих других областях:

• Количество транзисторов, установленных на полупроводниковом кристалле, широко описывается как увеличение в два раза каждые два года (также известный как закон Мура). Этот рост необходим для удовлетворения растущих потребностей в увеличении скорости, необходимой для быстрой передачи данных. В 2016 году исследователи из Кембриджского университета создали поляритонный переключатель, способный проводить электрооптические сигналы с высокой скоростью. Это устройство на основе жидкого света может преодолеть физические и технические ограничения, с которыми сталкиваются современные транзисторные чипы.
• В исследовательской статье под названием Феноменологические последствия сверхтекучей темной материи с барионно-фононным взаимодействием, , опубликованной в сентябре 2018 года, теоретизируется, что темная материя (85% материи во Вселенной составляет темная материя) также является сверхтекучей. Если эта теория окажется верной, то есть вероятность, что дальнейшие исследования жидкого света (который также является сверхтекучим) могут улучшить наше понимание темной материи и темной энергии.
• Существует вероятность того, что жидкий свет можно будет хранить и сохранять для последующего использования, это будет иметь огромное применение, потому что в настоящее время электрический ток не может быть легко сохранен в больших количествах. Электричество необходимо постоянно производить и использовать, что является ограничивающим фактором в развитии более устойчивой энергетической системы. Таким образом, способность хранить электроэнергию при комнатной температуре может оказаться бесценной для разработки более устойчивых источников энергии.
• Исследователи из Института CNR и Политехнического института Монреаля также предполагают, что технология жидкого света может привести к разработке более совершенных и эффективных версий лазерного оборудования, компьютеров, солнечных батарей и электронных приборов на основе светодиодов.

Наши знания о БЭК и жидком свете прошли долгий путь от квантовой статистики до квантовых компьютеров, но сможет ли когда-нибудь эта заряженная сверхтекучесть стать эффективным и основным решением для наших энергетических потребностей? Ответ лежит в будущем.

For You

наука

IE поговорил с Шохини Гхош о том, как квантовые компьютеры могут изменить наше будущее, о тайнах квантовой механики и о том, как будет выглядеть квантовая сцена в 2027 году.