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