Конденсацат Бозе-Эйнштейна - экзотическое квантовое явление, которое впервые наблюдалось в разреженных атомных газах в 1995 году, и сейчас оно является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований.
Мы все знакомы с твердыми телами, жидкостями и газами. и многие слышали о четвертом состоянии вещества - плазме, которое возникает при нагревании газа до таких температур, при которых атомы теряют электроны и становятся заряженными ионами.
Поскольку звезды в основном состоят из плазмы и составляют основную массу галактик, плазма является наиболее часто встречающейся формой материи во Вселенной. Кроме этого, мы также сталкиваемся с плазмой, когда смотрим на пламя и на некоторые экраны плазменных телевизоров. Но на холодном конце температур имеется также пятое состояние вещества, известное как бозе-эйнштейновский конденсат, или конденсат Бозе-Эйнштейна.
Конденсат Бозе-Эйнштейна - агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (0 K , - 273,15 ° C ). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Эта форма материи была предсказана в 1924 году Альбертом Эйнштейном на основе квантовых формулировок индийского физика Сатьендры Натха Боса .
В 1924 году индийский физик Сатьендра Нат Бос прислал Эйнштейну статью, в которой он вывел закон Планка для излучения черного тела, рассматривая фотоны как газ идентичных частиц.
Фотоны принадлежат к одному из двух великих классов элементарных частиц бозонов и фермионов, определяемых тем, является ли их квантовый спин неотрицательным целым числом (0, 1, 2,…) или нечетным полуцелым числом (1/2, 3/2,…). Первый фундаментальный класс, называемый бозонами (ответственны за все взаимодействия между частицами), включает фотоны со спином 1. Второй фундаментальный класс, называемый фермионами (это строительные блоки материи), включает электроны со спином 1/2.
Как заметил Бозе, эти два класса ведут себя по-разному. Согласно принципу исключения Паули, фермионы стремятся избегать друг друга, по этой причине каждый электрон в группе занимает отдельное квантовое состояние (обозначенное разными квантовыми числами, характеризующими энергию электрона). Напротив, неограниченное количество бозонов может иметь одно и то же энергетическое значение и разделять одно квантовое состояние.
Вскоре Эйнштейн обобщил работу Бозе, и предсказал, что при чрезвычайно низких температурах «бозонные частицы» с четными спинами будут объединятся в общее квантовое состояние с самой низкой доступной энергией. Однако эо предсказание Эйнштейна невозможно было экпериментально подтвердить до начала 1990-х годов, когда состоялся технологический прорыв - был создан метод и лазерного охлаждения.
Метод лазерного охлаждения - оптическая и магнитная ловушка
Лазерное охлаждение относится к числу методов, в которых атомные и молекулярные образцы охлаждаются за счёт взаимодействия с одним или более полей лазерного излучения. Чаще всего под лазерным охлаждением подразумевают доплеровское охлаждение, так как до сих пор оно является наиболее распространённым методом лазерного охлаждения.
Наибольший вклад в энергию частицы дает скорость поступательного движения частицы, значительно меньший - частота ее собственных колебаний. Чем быстрее движется и чаще колеблется частица, тем она "горячее". Даже при температуре 3 кельвина (почти -270оС) скорость атома составляет около 100 метров в секунду. Чтобы "заморозить" атом, его нужно остановить, вернее, понизить его скорость до сантиметров в секунду. Сделать это можно методом лазерного охлаждения.
В 1997 году Уильям Филлипс, Клод Коэн-Таннуджи и Стивен Чу получили за прорыв в области лазерного охлаждения Нобелевскую премию.
Доплеровское охлаждение
Один из методов, предложенный учеными, был назван доплеровским охлаждением. Процесс основан на поглощении атомами фотонов с последующим спонтанным переизлучением фотона с частотой, большей чем у поглощённого фотона. Таким образом, излучённый фотон имеет большую энергию, чем поглощённый. Разность энергий этих фотонов «заимствуется» из энергии теплового движения атома.
Эффект Доплера, используется в специальной конструкции - «оптической патоке», которая состоит из трех пар лазеров. Каждая пара «смотрит» друг на друга, а атомный пучок направляют в область пересечения всех лучей, где на атомы будет действовать оптическая сила трения, пропорциональная их скорости: F⃗ =−αv⃗ . Причем эта сила действует по всем трем направлениям и получается, что атом увязает в оптической ловушке. Тем не менее, диффузию и силу тяжести еще никто не отменял, поэтому необходима сила, способная удержать его в поле действия лазеров.
Такую силу можно получить, если к оптической ловушке добавить магнитную ловушку. Получится очень надежный лазерный холодильник для нейтральных частиц. Магнитная ловушка усиливает оптическую ловушку и помогает удобно измерять температуру охлажденного газа атомов. Для ее эффективной работы нужна правильная конфигурация магнитного поля, которую ученые создали далеко не сразу. Но когда это было сделано, магнитное поле стало обеспечивать силу, которая толкала частицы в объятья лазерных пучков, удерживая их в нужной области.
Нобелевская премия 2001 года за создание конденсата Бозе-Эйнштейна физики - Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман
Используя метод лазерного охлаждения, Эрик Корнелл и Карл Виман из лаборатории Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо в 1995 г. получили первый конденсат Бозе - Эйнштейна. Они сумели объединить около 2000 отдельных атомов рубидия в «суператом», конденсат, достаточно большой, чтобы его можно было наблюдать в микроскоп, который проявлял отчетливые квантовые свойства.
«Мы довели его (конденсат) почти до человеческого масштаба. Мы можем толкать его, толкать и смотреть на это так, как никто не мог раньше» Карл Виман
Вольфганг Кеттерле и его группа в Массачусетском технологическом институте создали более крупный конденсат из атомов натрия всего несколько месяцев спустя, а затем использовали свою экспериментальную установку, чтобы продемонстрировать интерференцию между двумя отдельными БЭК, а также элементарным атомным лазером. К сентябрю 2001 года более трех десятков команд повторили эти эксперименты.
В наши дни создать БЭК намного проще, но конденсат может удерживаться на Земле лишь в течение доли секунды из-за воздействия гравитации. Поэтому физики обратились к космосу, и в 2018 году они создали такой конденсат в космосе, разместив компактную экспериментальную установку лабораторию холодного атома (CAL), размером с мини-холодильник на борту Международной космической станции (МКС). В этой установке был создан конденсат Бозе – Эйнштейна из 105 атомов, что позволило провести более 100 экспериментов во время шестиминутного свободного падения, сохранив БЭК в условиях невесомости. Международная космическая станция также теперь оснащена лабораторией холодного атома , которая позволяет ученым генерировать и изучать БЭК в течение до 10 секунд за раз. Установка управляется дистанционно с Земли.
Это открытие положило начало совершенно новой отрасли физики
БЭК связаны с двумя замечательными низкотемпературными явлениями: сверхтекучестью, в которой каждый из изотопов гелия 3 He и 4 He образует жидкость, которая течет с нулевым трением; и сверхпроводимость, при которой электроны движутся через материал с нулевым электрическим сопротивлением. И хотя атомы и электроны 3 He и 4 Не являются фермионами, они могут подвергаться бозе - конденсации, образуя бозоноподобные состояния с нулевым чистым спином, когда соединяются фермионы с противоположными спинами. В 2003 году пионер в области полярной молекулярной квантовой химии, американский физик-экспериментатор Дебора Джин использовала парные фермионы для создания первого атомного фермионного конденсата.
Исследования БЭК привели к появлению новой атомной и оптической технологии - атомному лазеру, который Вольфганг Кеттерле продемонстрировал в 1996 году. Обычный световой лазер излучает пучок когерентных фотонов; все они точно совпадают по фазе и могут быть сфокусированы в очень маленькое яркое пятно. Точно так же атомный лазер создает когерентный пучок атомов, который можно сфокусировать с высокой интенсивностью. Возможные применения его включают более точные атомные часы и усовершенствованные методы изготовления электронных микросхем или интегральных схем .
Спасибо за внимание!