Из пяти состояний материи, конденсат Бозе-Эйнштейна, пожалуй, самый загадочный. Если газ, жидкость, твердые тела, да и плазма хорошо изучены на протяжении десятилетий, то конденсат Бозе-Эйнштейна не создавался в лаборатории до 1990-х годов.
Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой группу атомов, охлажденных до абсолютного нуля. Когда атомы достигают этой температуры, то едва движутся относительно друг друга - у них почти нет свободной энергии. В этот момент атомы начинают сжиматься вместе и вступают в одни и те же энергетические состояния. Они становятся идентичными с физической точки зрения, и вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом.
Чтобы сделать конденсат Бозе-Эйнштейна, необходимо начать с облака диффузного газа. Многие эксперименты начинаются с атомов рубидия. Затем вы охлаждаете его лазерами, используя лучи, таким образом вы отнимаете энергию у атомов. После этого, чтобы охладить их дальше, ученые используют испарительное охлаждение. При охлаждении не образуется решетка, как у твердых тел.
Вместо этого атомы попадают в одни и те же квантовые состояния, и их нельзя отличить друг от друга. В этот момент атомы начинают подчиняться так называемой статистике Бозе-Эйнштейна, которые обычно применяются к частицам, которые вы не можете отличить друг от друга, например к фотонам.
Теория и открытие
Существование конденсата Бозе-Эйнштейна впервые было теоретически предсказано индийским физиком Сатиендрой Нат Бозе. Кстати он же открыл субатомную частицу бозон. Так вот, Бозе работал над статистическими проблемами в квантовой механике и решил отправить свои идеи Альберту Эйнштейну. Эйнштейн посчитал эти идеи очень важными. Он увидел, что математика Бозе, позже известная как статистика Бозе-Эйнштейна, может быть применима как к атомам, так и к свету.
Обычно атомы должны обладать определенными энергиями - на самом деле одной из основ квантовой механики является то, что энергия атома или другой субатомной частицы не может быть произвольной. Вот почему электроны, например, имеют дискретные «орбитали», которые они должны занять, и почему они выделяют фотоны определенных длин волн, когда они падают с одного орбитального или энергетического уровня на другой. Но при охлаждении атомов до миллиардных долей абсолютного нуля, некоторые из них начинают падать на один и тот же энергетический уровень, становясь неразличимыми.
Вот почему атомы в бозе-эйнштейновском конденсате ведут себя как «супер атомы». Когда кто-то пытается измерить, где они находятся, вместо того, чтобы видеть дискретные атомы, вы видите большой нечеткий шар.
Другие состояния материи следуют принципу исключения Паули. Фермионы - виды частиц, которые составляют материю - не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Вот почему, когда два электрона находятся на одной орбите, их спины должны быть противоположными, поэтому они складываются до нуля. Это, в свою очередь, является одной из причин, почему химия работает именно так, как работает, и одна из причин, по которой атомы не могут одновременно занимать одно и то же пространство. Конденсаты Бозе-Эйнштейна нарушают это правило.
Хотя теория утверждает, что такие состояния материи должны существовать, только в 1995 году Эрик А. Корнелл и Карл Э. Виман из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Боулдере и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института, совершили открытие за которое получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году.