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신물질 실온에서 보즈-아인슈타인 응축물을 생성하다

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작성자 우주나무 댓글 0건 조회 3,879회 작성일 16-06-05 01:25

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실온에서 보즈-아인슈타인 응축물을 생성하다.

 

원자 대신 준입자를 사용한 보즈-아인슈타인 응축물의 생성

(나노와이어를 사용한 폴라리톤 BEC)

 

 

보즈-아인슈타인 응축물은 다량의 입자가 마치 하나의 존재인 것처럼 행동하는 극적인 현상이다최초의 보즈-아인슈타인 응축물은 실험실에서 초저온 상태에 있는 루비듐 원자를 사용하여 만들어졌다이 연구성과는 2001년 노벨물리학상을 받게 했다초전도와 같은 다른 물질들은 입자의 상호작용을 통해 비슷한 행동을 나타낸다.

 

이러한 시스템은 일반적으로 절대 영도에 가까운 온도를 필요로 한다그러나 아이안 다스(Ayan Das)와 그 동료들은 폴라리톤(polariton)으로 알려진 여기상태를 만들어내기 위해서 나노스케일의 와이어를 사용하였다이 폴라리톤은 실온에서 보즈-아인슈타인 응축물을 형성하였고값비싼 냉각과 가둠장치를 필요로 하지 않는 잠재적인 새로운 연구의 지평을 열어제꼈다.

 

보존은 동일한 양자적 특성을 가지거나 상태에 머물 수 있는입자들을 나누는 커다란 분류의 하나이다같은 상태에 있기를 거부하는(파울리의 배타원리로 알려져 있다), 전자와 양성자중성자를 포함하는 페르미온의 부류에 반대되는 개념이다극한의 저온에서보존들은 보즈-아인슈타인 응축물(BEC)로 알려진 단일한 양자상태로 응집할 수 있는데이 이름은 사티엔드라 나스 보즈와 알버트 아인슈타인의 이름을 따른거다.

 

많은 원자들은 보존이지만이런 특성은 매우 밀도가 높거나 극한 저온이 아니고서는 일반적으론 아무런 차이를 만들어내지 않는다그러나양자역학의 경이로움 덕분에물질 내에서의 상호작용은 준-입자들을 만들어낼 수 있다이 준입자들은 입자들과 흡사하게 행동하는 여기상태이지만그들이 일어나는 매체와 독립적으로 존재하지는 않는다.

 

보통의 입자들과 마찬가지로준입자들 역시 페르미온이기도 하고 보존이기도 하다그들은 그들의 자유로운 사촌들이 겪는 동일한 일반적인 법칙을 따른다예를 들면, 초전도를 설명하는 널리 받아들여지는 모델 중의 하나는 초전도 현상을 전자쌍에 의해 형성된 준입자의 보즈-아인슈타인 응축물로 설명한다. 원자들로 이루어진 BEC 와 마찬가지로, 준입자성 BEC 도 극한의 저온에서 형성되는 경향을 가지고 있다.

 

또다른 준입자는 광자와 재료의 여기상태 사이의 상호작용에 의하여 형성될 수 있다. 그 결과로 생겨한 폴라리톤은 - 아마도 상온을 포함하는 - 높은 온도에서 응축이 가능한 낮은 질량의 보존들이다. 폴라리톤 BEC 의 하나의 징후는 결맞은 빛의 생성이다. 실질적으로, 준입자들은 레이저와 같이 행동한다. 몇몇 실험들은 폴라리톤 BEC를 만들어내었다. 비록 아직 상대적으로 낮은 온도에서이기는 하지만.

 

현재의 연구는 매우 가는 와이어(나노와이어)들을 포함시키고 있다. 이것은 그 내부공간에 마이크로파 광자의 정상파를 생성하도록 디자인되었다. 나노와이어는 알루미늄과 갈륨, 질소의 합금이었는데 단 알류미늄의 양은 다양하게 변화한다. 불규칙한 조성은 폴라리톤을 위한 사실상의 "함정"을 만들었다. 균일한 조성의 와이어는 BEC 를 형성할 수 없었는데, 재료내의 변동이 저온에서도 응집을 파괴했기 때문이다.

 

이것을 피하기 위해, 연구자들은 나노와이어의 중앙에서 알루미늄의 양의 0이 되도록 점차로 감소시켰다.  그리고 나서 알루미늄이 없는 부분을 상대적으로 높은 양의 알루미늄을 함유한 부분과 분리시켰다. 재료와 상호작용하여공동에서 나온 마이크로파는 폴라리톤을 생성시켰다. 이들은 우선적으로 와이어를 따라 알루미늄이 없는 지역으로 기류를 형성하였고, 그곳에서 그들은 응집을 일으켰다.

 

즉, 재료의 전기적인 특성은 그 자체가 냉각의 필요성을 대체했으며, 준입자들이 모이고 응집하여 BEC 가 되도록 허용하였다. 숨길 수 없는 빛의 방출을 검출함으로써 실험은 이러한 효과를 확인하였다.

 

이 실험은 실험실에서 관찰된 최초의 실온 BEC 로 기록되었다. 저자들은 실용적인 응용에 대한 어떠한 제안도 하지 않았지만, BEC 연구에 대한 직접적인 잠재성은 명백하다. 원자로 된 BEC 를 다루기 위해 필요한 극저온과 혹은 광학적이고 자기적인 가둠장치들을 필요로 하지 않고, 보즈-아인슈타인 응축물의 많은 면들을 이전보다 훨씬 저렴한 비용으로 탐색할 수 있는 잠재적인 길이 열린 것이다.  

 

 

cf. 폴라리톤(polariton) : 빛과 전자의 두 성질을 가진 입자의 명칭결정에 빛을 대면 빛에서 에너지를 받아 이탈한 전자와 그 후의 홀이 재결합하여 빛을 방사하고이 빛이 또 전자와 홀을 만드는 현상이 공명함으로써 출현하는 것으로전기적으로는 중성이다이것을 이용한 논리 소자를 사용하면 현재의 수퍼컴퓨터보다 연산 속도가 빠른 것이 얻어진다고 하며연구가 시작되고 있다. (출처 네이버 전자용어사전)

 

Bose-Einstein condensate created at room temperature

Instead of atoms, condensation was achieved using quasiparticles.

Aluminum-Nitrogen nanowires, relatives of the ones used in these experiments.

Bose-Einstein condensation is a dramatic phenomenon in which many particles act as though they were a single entity. The first Bose-Einstein condensate produced in the laboratory used rubidium atoms at very cold temperatures—work that was awarded the 2001 Nobel Prize in physics. Other materials, like superconductors, exhibit similar behavior through particle interactions.

These systems typically require temperatures near absolute zero. But Ayan Das and colleagues have now used a nanoscale wire to produce an excitation known as a polariton. These polaritons formed a Bose-Einstein condensate at room temperature, potentially opening up a new avenue for studying systems that otherwise require expensive cooling and trapping.

Bosons are part of a large class of particles that can have the same quantum configuration or state. This is in contrast to the fermions, the category including electrons, protons, and neutrons, which resist having the same state. (This resistance, known as the Pauli exclusion principle, leads to the presence of different energy states, or orbitals, occupied by the electrons of atoms.) At extremely low temperatures, bosons can coalesce into a single quantum system known as a Bose-Einstein condensate (BEC), named for Satyendra Nath Bose and Albert Einstein.

Many atoms are bosons, though this characteristic doesn't generally make any difference except at high density or very low temperatures. However, thanks to the wonders of quantum physics, interactions within materials can produce quasiparticlesThese are excitations that act like particles, but don't exist independent of the medium in which they occur.

As with normal particles, quasiparticles are either fermions or bosons, obeying the same general rules as their free cousins. For example, one widely accepted model for superconductivity describes the phenomenon as a Bose-Einstein condensation of quasiparticles formed by pairs of electrons. As with atomic BECs, quasiparticle BECs tend to form under very cold temperatures.

Another quasiparticle can be formed by the interactions between photons and excitations in a material. The resulting polaritons are low-mass bosons that should be able to condense at higher temperatures—possibly including room temperature. One signature of a polariton BEC is the production of coherent light—effectively, the quasiparticles act like a laser. Several experiments have created polariton BECs, though still at relatively cold temperatures.

The current study embedded a very thin wire—a nanowire—in a cavity designed to produce standing waves of microwave photons. The nanowire was an alloy of aluminum, gallium, and nitrogen, but with varying amounts of aluminum. The irregular composition created a de facto "trap" for the polaritons. A wire of uniform composition couldn't form a BEC—fluctuations within the material would destroy the condensation, even at low temperatures.

To bypass this, the researchers gradually decreased the amount of aluminum in the alloy to zero in the center of the nanowire, then bookended the aluminum-free segment with a region containing a relatively high amount of aluminum. The microwaves from the cavity interacted with the material, generating polaritons. These drifted preferentially along the wire toward the aluminum-free zone, where they collected and condensed.

In other words, the electronic properties of the material itself replaced the need for cooling, allowing the quasiparticles to gather and condense into a BEC. The experimenters confirmed this effect by detecting the telltale light emission.

This experiment marked the first room-temperature BEC ever observed in the laboratory. While the authors didn't suggest any practical application, the potential for studying BECs directly is obvious. Without the need for cryogenic temperatures or the sorts of optical and magnetic traps that accompany atomic BECs, many aspects of Bose-Einstein condensation can potentially be probed far less expensively than before.

PNAS, 2013. DOI: 10.1073/pnas.1210842110 

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