Eesti teadlased aitasid avastada iidse Hiina värvaine mõistatust
Juba 2000 aasta eest valdasid Hiina käsitöölised kvantmehaanikat. Küll mitte teoreetiliselt, vaid praktiliselt. Nimelt valmistasid nad värvainet, mida tuntakse Hani violeti nime all ja mille ehitus on üsna samasugune nagu ainel, mida füüsikud kasutavad kvantnähtuste uurimiseks. Nimelt on üks aine kummaline olek, mille kohta pole just palju teada.
Aine kummaline olek
See nn Bose-Einsteini kondensaat on üks kummaline mateeria olek, mis tekib teatud liiki kvantsüsteemis, kui see väga alla, peaaegu absoluutse nullkraadini jahutatakse. Seda ennustasid Albert Einstein ja india teadlane Satyendra Nath Bose. Olekut iseloomustab suur koherentsus. Madalal temperatuuril langeb suur osa aatomitest madalaimasse võimalikku energiaolekusse ning nõnda ilmnevad kvantefektid suisa suures ulatuses, mitte nagu tavaliselt, ainult eraldi aatomitel. Kuigi olek ennustati teoorias juba 1925. aastal, suudeti see laboris tekitada alles 1995. aastal, külmutades rubiidiumi aatomeid temperatuurini 170 nanokelvinit. Selle tulemuse eest said Eric Cornell, Carl Wieman ja Wolfgang Ketterle 2001. aastal Nobeli füüsikapreemia.
Selline kondensaat on kvantvedelik või -gaas, mille omadused pole siiani täpselt teada. Näiteks voolab see mööda anuma seina ülespoole. Vähimgi mõju väljastpoolt viib aga sellise supervedeliku haruldasest olekust välja ja see muutub tavaliseks gaasiks.
Sellises kvantgaasis saab näiteks aeglustada valgusimpulsside liikumist. Aga eelkõige uuritakse seda, et jälile saada kvantmaailma veel saladuseks jäänud küsimustele.
Tallinnas, keemilise ja bioloogilise füüsika instituudis (KBFI) on füüsikud Raivo Stern, Ivo Heinmaa ja Enno Joon koostöös Ameerika, Jaapani ja Argentina füüsikutega uurinud üht omapärastes kristallides elektronide spinnolekutest tekkivat Bose-Einsteini vedelikku.
Need kristallid koosnevad baariumist, vasest, ränist ja hapnikust ning on esitatavad mitte just väga keerulise keemilise valemiga BaCuSi2O6. Teadlased on uurinud selle aine tuuma magnetresonantsi spektreid nii madalal temperatuuril nagu 50 millikelvinit. Neid on huvitanud see, millistel tingimustel ikkagi antud kristallis unikaalne kahemõõtmeline magnetiline Bose-Einsteini kondensaat moodustub, see tähendab, et kuidas toimub (kvant)faasiüleminek. “Sellise suure arvu koostisosakeste käitumist on üpris lootusetu teoreetiliselt ennustada, see avaldub pigem seletuseta katseliste avastustena,” kommenteerib KBFI direktor Raivo Stern.
Oma tööst on teadlased kirjutanud artiklis, mis on 2004. aastal avaldatud tunnustatud füüsikaajakirjas Physical Review Letters, uusimaid tulemusi sisaldav artikkel on samas ajakirjas avaldamisel.
Tulemused on keerulised, aga üllatav on tõsiasi, et selliseid molekule kasutasid hiinlased juba üle 2000 aasta eest, et värvida oma kuulsaid terrakotasõdalasi, mis avastati maa alt 1974. aastal.
Alkeemikute avastus
Tol ajal värviti enamjaolt looduslike ainetega. On tunda vaid kolm pigmenti, mis ei põhine looduslikel ainetel ning mida seega iidsed taoistlikud alkeemikud sünteesisid. Üks neist on egiptuse sinine ning arvati, et hiinlased said selle retsepti just egiptlastelt. Kuid hiinlaste violett sisaldab hoopis baariumi, seevastu egiptlaste oma kaltsiumi. Baariumil on kõrgem sulamistemperatuur ning seega on seda ka raskem sünteesida. Californias asuva Stanfordi sünkrotronkiirguse labori teadlane Zhi Liu ja ta kolleegid uurisid hiina violeti pinna struktuuri röntgenikiirtega. Nad järeldasid, et see värvaine on täielikult hiinlaste leiutis, kus kasutati tootmiseks taoistlike munkade perfektset klaasivalmistamise tehnoloogiat.
Ajavahemikul 450 aastat enne Kristust kuni aastani 220 meie ajaarvamise järgi valmistasid mungad baariumiga rikastatud klaasi, et imiteerida nefriiti, ja lisasid ainele pliid, et selle sulamistemperatuuri alandada. Hiina violetti valmistati analoogilisel moel, kasutades baariumkristallide kasvatamiseks pliid. See oli arvatavasti esimene inimese valmistatud keemiline ühend, mis sisaldas metallilist sidet. Kui taoism Hiinast taandus, siis kadus ka hiina violetne värvaine, ehkki seda toodeti juba enne paberit ja kompassi.
Kõnealust baariumi sisaldavat ühendit uurivad teadlased, kuna selle sisse ehitatud elektron-spinnpaaride süsteem muutub kvantomadustega kondensaadiks tugevas magnetväljas ebatavaliselt kõrgel temperatuuril ning selle käitumine on lihtne ja ennustatav. “Füüsikud taas-
avastasid violetsed kristallid kui kõrgtemperatuursete ülijuhtide sünteesi kõrvalprodukti ja loomulikult uuriti siis ka nende kristallide omadusi,” ütleb Stern.
Kuid kondensaadi tekitamiseks optimaalsel temperatuuril (3.7K) on vaja nii suurt rakendatud magnetvälja, mida püsiväljana suudetakse tekitada ainul Tallahassee magnetlaboris Floridas. Üks ja tüüpiline aine kristall on umbes 2 x 2 x 1mm ja kaalub umbes 10 mg. Tüüpiline eksperimendiöö Grenoble’i magnetil kestab ca 6 tundi, seitsmepäevaseid mõõtenädalaid kulus 3–4.1
Mis on Bose-Einsteini
kondensaat
Universumis leiduva aine füüsikalise käitumise määrab tema koostisosade statistika. Kõik osakesed võib jaotada kahte tüüpi – fermionideks (poolearvulise pöörlemisoleku ehk spinniga) ja bosoniteks (täisarvulise spinniga).
Eri tüüpi osakeste perekondade erinev käitumine avaldub väga madalatel temperatuuridel, kus paljastuvad aine kvantomadused. Eksperimenteerimiseks sobivaid fermion-süsteeme on lihtne leida – tüüpiline fermion on elektron – ja nende omadused on hästi teada. Boson-süsteemide kvantkäitumist on vähesel määral mõistetud ja sobilikke katsesüsteeme on raske leida.
Nüüd on leitud uus boson-süsteem, läbipaistev violetne vaskoksiid. Kondensaat tekib siin magnetiliselt, kus ühe bosoni moodustavad kristallstruktuuris paarikaupa paiknevatel vase tuumadel olevate elektronide spinnid - spinnpaarid.
Korreleeritud elektronide süsteemid tahkistes (kristallides) esitavad sageli kõige mõistatuslikumaid ja eksootilisi füüsikanähtusi – nii magnetism, ülijuhtivus kui ka ülivoolavus tärkavad väga suure arvu aatomite kooperatiivsest käitumisest. Sellise suure arvu koostisosakeste käitumist on üpris lootusetu teoreetiliselt ennustada, see avaldub pigem seletuseta katseliste avastustena.
