Хотя температура ультрахолодного газа — миллиардная градуса выше абсолютного нуля — вдвое выше, чем рекордно холодного, у газа самая низкая энтропия из когда-либо измеренных. Энтропия — это мера беспорядка или шума в системе; газ с рекордно низкой температурой не обязательно наименее шумный.«Это условие« наименьшей энтропии »или« наименьшего шума »означает, что квантовый газ можно использовать для создания тонких квантово-механических эффектов, которые являются основной целью современных исследований материалов и физики многих тел», — сказал соавтор Дэн. Стампер-Курн, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. «Когда все тихо и все тихо, можно различить тонкую музыку квантовой механики многих тел».
Квантовый газ, так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, состоял примерно из миллиона атомов рубидия, захваченных лучом света, изолированных в вакууме и охлажденных до самого низкого энергетического состояния. Энтропия и температура были настолько низкими, что исследователям пришлось разработать новый тип термометра для их измерения.
По словам аспиранта Калифорнийского университета в Беркли Райана Олфа, достижение чрезвычайно низких температур может стать рекордсменом, но сегодня ученые стремятся к состояниям с низкой энтропией, которые они могут изучить, чтобы понять более интересные, но трудные для изучения материалы.Способность команды Калифорнийского университета в Беркли управлять ультрахолодными газами с низкой энтропией позволит им изучать эти квантовые системы, включая квантовые магниты — потенциально полезные в квантовых компьютерах — и высокотемпературные сверхпроводники. Высокотемпературные сверхпроводники — это экспериментальные материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость — электрический поток без сопротивления — при относительно высоких температурах по сравнению с 3 или 4 градусами Цельсия выше абсолютного нуля, типичными для современных обычных сверхпроводников.«Один из святых Граалей современной физики — достаточно хорошо понять эти экзотические материалы, чтобы разработать сверхпроводящий материал, не требующий вообще никакого охлаждения», — сказал Олф. «Изучая свойства низкоэнтропийных газов в различных конфигурациях, наше сообщество исследователей надеется узнать, почему эти удивительные материалы работают так, как они».
Ольф сказал, что энтропия на частицу, а не температура, является подходящим параметром при сравнении систем, и ультрахолодные газы, которые производились до сих пор, изо всех сил пытались достичь низких энтропий, которые потребовались бы для тестирования моделей этих материалов.«В самом прямом смысле это самый холодный из когда-либо произведенных газов, который в 50 раз ниже температуры, при которой проявляются квантовые статистические эффекты, температуры конденсации Бозе-Эйнштейна», — сказал он.Детали эксперимента были опубликованы в Интернете в прошлом месяце и появятся в будущем печатном выпуске журнала Nature Physics.
Уменьшение гулаСтампер-Курн и его лабораторная группа охлаждают газы до таких низких температур, что начинают действовать квантовые эффекты, что приводит к странному «сверхтекучему» поведению, например, к потоку без трения. Сверхтекучий гелий известен тем, что поднимается и перебирается через край чашки.
Сверхтекучие газы образуют вихри — крошечные торнадо, подобные тем, которые возникают, когда вы размешиваете чашку кофе, — которые живут вечно.По словам Стампер-Курн, при таких низких температурах низкоэнергетические возбуждения или колебания атомов являются звуковыми волнами. «Температура порождает что-то вроде постоянного грохота звука в газе, а энтропия — это как подсчет количества оставшихся возбуждений звуковой волны.
Чем холоднее становится газ, тем меньше у него энтропии и тем тише он».Обычно конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой смесь квантового газа и нормального газа. Его температура определяется путем измерения тепловых свойств нормального газа.
Однако газ с низкой энтропией — это почти весь квантовый газ, поэтому команде пришлось найти другой способ измерения температуры. Они сделали это путем изменения намагниченности атомных спинов и измерения тепловых свойств наклонной намагниченности, по сути создав магнонный термометр.Наклонные спины также помогли им охладить газ до состояния с низкой энтропией, улучшив испарительное охлаждение, на которое исследователи долгое время полагались для получения ультрахолодных газов.
Помимо удаления горячих атомов для снижения средней температуры газа, они использовали испарительное охлаждение термализованных спинов, чтобы снизить температуру до 1 нанокельвина (одна миллиардная градуса выше абсолютного нуля), что соответствует энтропии в 100 раз ниже, чем предыдущие эксперименты, сказал Ольф.Другие соавторы — Фанг Фанг, Дж.
Эдвард Марти и Эндрю Макрей. Работа поддерживается Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом.