Конденсат Бозе - Ейнштейна

Конденсат Бозе - Ейнштейна - агрегатний стан речовини, основу якого складають бозони, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля (менше мільйонної частки градуса вище абсолютного нуля). У такому сильно охолодженому стані достатньо велике число атомів виявляється в своїх мінімально можливих квантових станах і квантові ефекти починають проявлятися на макроскопічному рівні.

Теоретично передбачений як наслідок із законів квантової механіки Альбертом Ейнштейном на основі робіт Шатьендраната Бозе в 1925. 70 років потому, в 1995, перший бозе-конденсат був отриманий в Об'єднаному інституті лабораторної астрофізики (JILA) (що відноситься до Університету штату Колорадо в Боулдері і Національному інституту стандартів) Еріком Корнелла і Карлом виманов. Учені використовували газ з атомів рубідію, охолоджений до 5,9 пікокельвін (ПК) (5,9 10 -12 коливань). За цю роботу їм, спільно з Вольфгангом Кеттерле з Массачусетського технологічного інституту, була присуджена Нобелівська премія з фізики 2001.


1. Введення

Конденсати - це надзвичайно низькотемпературні рідини з властивостями, які в даний момент не до кінця зрозумілі. Цей феномен є безпосереднім проявом законів квантової механіки, згідно з якими система може отримувати енергію тільки дискретно. Якщо система знаходиться при настільки низьких температурах, що перебуває в найнижчому енергетичному стані, то вона вже не в змозі зменшити свою енергію навіть за рахунок тертя. Без тертя рідина легко долає гравітаційне тяжіння завдяки молекулярному зчепленню рідини зі стінками посудини і займає найбільш вигідне становище - поза судини.


2. Теорія

Уповільнення атомів з використанням охолоджувальної апаратури дозволяє отримати сингулярне квантовий стан, відоме як конденсат Бозе, або Бозе - Ейнштейна. Це явище було передбачене в 1925 році А. Ейнштейном, як результат узагальнення роботи Ш. Бозе, де будувалася статистична механіка для частинок, починаючи від безмассових фотонів до володіють масою атомів (рукопис Ейнштейна, що вважалася загубленою, була виявлена ​​в бібліотеці Лейденського університету в 2005). Результатом зусиль Бозе і Ейнштейна стала концепція Бозе газу, що підкоряється статистиці Бозе - Ейнштейна, яка описує статистичний розподіл тотожних часток з цілим спіном, званих бозонами. Бозони, якими є, наприклад, і окремі елементарні частинки - фотони, і цілі атоми, можуть знаходитися один з одним в однакових квантових станах. Ейнштейн припустив, що охолодження атомів - бозонів до дуже низьких температур змусить їх перейти (або, по-іншому, сконденсуватися) в найнижча можливе квантовий стан. Результатом такої конденсації стане виникнення нової форми речовини.

Цей перехід виникає нижче критичної температури, яка для однорідного тривимірного газу, що складається з невзаємодіючих частинок без будь-яких внутрішніх ступенів свободи, визначається формулою

T_c = \ left (\ frac {n} {\ zeta (3/2)} \ right) ^ {2/3} \ frac {h ^ 2} {2 \ pi mk_B},

де T_c - Критична температура, n - Концентрація часток, m - Маса, h - постійна Планка, k_B - постійна Больцмана, \ Zeta - дзета-функція Рімана, \ Zeta (3/2) = 2 {,} 6124 \ ldots


3. Практика

В 1995 Еріку Корнелла і Карлу Вімену з Національного інституту стандартів і технології США за допомогою лазерного охолодження вдалося охолодити близько 2 тисяч атомів рубідію-87 до температури 20 нанокельвінов і експериментально підтвердити існування конденсату Бозе - Ейнштейна, за що вони спільно з Вольфгангом Кеттерле, який чотири місяці по тому отримав конденсат Бозе - Ейнштейна з атомів натрію з використанням принципу утримання атомів в магнітній пастці, в 2001 р. були удостоєні Нобелівської премії з фізики [1].

В 2000 групі вчених з Гарвардського університету вдалося привести світ до "повної зупинки", направивши його на конденсат Бозе - Ейнштейна рубідію. [2] [3]

До недавнього часу найменша офіційно зареєстрована швидкість світла була трохи більше 60 км / год - крізь натрій при температурі -272 C. [4]

В 2010 був вперше отриманий бозе-ейнштейнівської конденсат фотонів [5] [6] [7].


Примітки

  1. Lenta.ru: Прогрес: П'яте стан речовини - lenta.ru/articles/2010/11/30/bec /
  2. Вчені сповільнили швидкість світла до 0,2 міліметра в секунду | ScienceBlog.Ru - науковий блог - scienceblog.ru/2008/06/18/uchenyie-zamedlili-skorost-sveta-do-02-millimetra-v-sekundu /
  3. Слєпов Н. Про світло повільному і швидкому. Слідами презентації Р. Бойда на OFC-2006 - www.photonics.su/files/article_pdf/2/article_2656_709.pdf / / Фотоніка. - 2007. - В. 1. - С. 16-27.
  4. Hau LV et al. Light speed reduction to 17 m / c in an ultracold atomic gas - www.nature.com/nature/journal/v397/n6720/pdf/397594a0.pdf / / Nature. - 1999. - № 397. - С. 594. - ISSN 0028-0836 -
  5. Німецькі фізики навчилися охолоджувати і конденсувати світло - www.rian.ru/science/20101125/300589150.html, РІА Новини (25 листопада 2010).
  6. Physicists Create New Source of Light: Bose-Einstein Condensate 'Super-Photons' - www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101124143407.htm (Англ.) , Science Daily (24 листопада 2010).
  7. Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger, Martin Weitz Bose-Einstein condensation of photons in an optical microcavity - dx.doi.org/10.1038/nature09567 (Англ.) / / Nature. - 2010. - Т. 468. - С. 545-548.