XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение.

Когда-то проблема «Электронов в металле» была весьма туманным явлением. Что такое электрон и что обуславливает его движение в металлах. Потом оказалось, что движущиеся электроны обуславливают движение тока. Позже обнаружилось, что если металл-проводник подключить к источнику напряжения, то по нему течет ток. Что обуславливает наличие свободных электронов. С этого начались исследования по изучению электронов.

А что же сейчас?

В недавнем времени произошло событие, которое буквально потрясло весь мир «Квантовой физики». Ученые из Америки разработали устройство на подобие винта Архимеда, который, как и положено этому устройству переносит воду на более высокий уровень, но вот только вместо воды мы имеем скопление атомов квантового газа и их перемещение собственно происходит на более высокий энергетический уровень. Теперь же исследователи из Стэнфордского университета впервые получили состояние квантового шрама в квантовом газе. Это произошло благодаря тому, что ученые усовершенствовали свой эксперимент, добавив к нему магнетизм. [1]

Квантовый газ.

Что бы разобраться давайте начнем с вопроса. Что же такое квантовый газ?

Квантовый газ – это газ, состоящий из таких частиц как ато­мы, мо­ле­кулы, электронов в ме­тал­ле и др. Между частицами существенна роль обменных взаимодействий, обусловленная их неразличимостью (тождественностью). Приведем сравнение «классического» идеального газа и квантового газа. Квантовый газ обладает одной особенностью, которой он совершенно отличается от газа, с которым мы знакомы еще со описываемого законом Бойля — Мариотта. Думаю, с тех времен мы и помним, что кинетическая энергия частиц идеального газа настолько превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними. И, что, вычисляя полную энергию газа, потенциальной энергией можно пренебречь. Таким образом, как мы поднимем степень «идеальности» классического газа, которая увеличивается с уменьшением его плотности. А у квантового газа ситуация интереснее, чем плотнее газ, тем он идеальнее. Непонятно? Конечно, и поэтому становится всё интереснее!

Квантовые шрамы — чрезвычайно редкое состояние частиц квантового газа в хаотической квантовой системе, когда частицы повторяют собственные пути, как люди, которые ходят по одним и тем же дорожкам. Конечно, такое поведение квантового газа представляет для ученых особый интерес. Ведь если в разных частях квантовой системы установится противодействиет «термализации». А это уже большей шаг в изучении квантового газа, а также может быть это маленький ключик к реализации новый технологий, таких как высокотехнологичный квантовый компьютер. Всему этому поспособствует создание стабильных квантовых систем.

Со слов руководителя исследования Бенджамина Лева (Benjamin Lev), доцента прикладной физики и физики Школы гуманитарных и естественных наук в Стэнфорде, он ожидал многого от этого эксперимента, то, что стабильность квантового газа будет постепенно возрастать или же, то, что стабильность изменится лишь немного. Но то что он увидел было выше его ожиданий. Квантовый газ полностью стабилизовался, этого не мог предположить никто.

Исследователи создали весьма необычную систему для эксперимента с газом, называемую супергазомТонкса-Жирардо. Такая система представляет собой высоковозбужденный одномерный квантовый газ, частицы которого вынуждены передвигаться по одной линии. По идее ученых такие частицы, а точнее атомы, даже под действием экстремальных сил не должны собираться в единую, шарообразную массу, наподобие атомам «классических» газов. Но их ждал неожиданность. Теоретически всё правильно, однако практика показывает совершенно другой результат. Исследователи Стэнфорда предположили, что газ состоящий из сильного магнитного элемента диспрозия, будет немного сильнее сопротивляться коллапсу, чем «немагнитные» газы. Но такого результата никто не ожидал.

Магнитные взаимодействия, которые были добавлены в опыт, были очень слабы по сравнению с притягивающими взаимодействиями, которые были в газе и до этого. Ученые решили, что раз изменения настолько незначительные, газ всё равно схлопнется. Однако всё оказалось не так просто. Полученный газ из атомов диспрозия в конечном итоге привел к получению супергазаТонкса-Жирардо, который несмотря ни на что, оставался стабильным. Даже когда исследователи пытались «расшевелить газ», например, поднимали систему до более высокого энергетического состояния, атомы не коллапсировали.

Таким образом, результаты данного эксперимента не мог предугадать никто, они были неожиданными. Ученые признаются, что пока они не знают, как использовать данное открытие. Но всем понятно, что это как минимум колоссальный прорыв в изучении квантового газа и его состояния.

Список литературы.

Архимедовой винт https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2_%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%82.

[1]Новое состояние в квантовом газе https://forbes.kz/news/2021/01/15/newsid_241764.

Обнаружено новое состояние вещества в квантовом газеhttps://ria.ru/20210114/kvanty-1593103680.html.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4724.