В четверг, 24 ноября, в одном из самых престижных научных журналов - Nature - появилась статья ученых, которым впервые удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе фотонов. Вероятнее всего, большинству читателей предыдущее предложение ни о чем не сказало - и не удивительно. Конденсат Бозе-Эйнштейна - это очень специфическая, но невероятно интересная форма вещества, которую иногда называют его пятым состоянием, приравнивая к твердому, жидкому, газообразному и плазме. Когда вещество находится в этом состоянии, в нем начинают на макроуровне проявляться квантовые эффекты - фактически, конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой большую (очень большую) квантовую частицу.

Теория

Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) на основе фотонов - это весьма "продвинутый" вариант КБЭ, и очень долго считалось, что его нельзя получить в принципе. Но прежде чем рассказать о нем, стоит пояснить, а что вообще такое конденсат Бозе-Эйнштейна. Родиной этого понятия может считаться Индия – именно там большую часть времени жил и работал человек, впервые указавший на возможность существования неизвестного ранее состояния материи. Этого человека звали Шатьендранат Бозе, и он был одним из отцов-основателей квантовой механики.

Чтобы отметить научные заслуги Бозе, в его честь был назван один из типов элементарных частиц – бозоны. К бозонам относятся, например, фотоны - переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят сильное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Знаменитый бозон Хиггса, ради поисков которого был создан Большой адронный коллайдер, тоже относится к этой категории элементарных частиц.

Принадлежность частицы к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса элементарных частиц (иногда понятие спина определяют как вращение частицы вокруг собственной оси, но такое представление слишком упрощает ситуацию). Спин бозона всегда целый - то есть выражается целым числом. У другой разновидности элементарных частиц - фермионов - спин полуцелый.

Фермионы (слева) выстраиваются "в линейку" по энергиям квантовых уровней, а бозоны (справа) могут скапливаться на уровне с наименьшей энергией. Изображение выпуска 23 бюллетеня ПерсТ за 2003 год

Бозоны и фермионы отличаются друг от друга не только значением спина - эти частицы несходны по целому ряду фундаментальных свойств. В частности, бозоны могут не подчиняться так называемому принципу, или запрету, Паули, который постулирует, что две элементарные частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния отличаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы (которые строго соблюдают запрет Паули) поочередно заполняют последовательные состояния. Первыми занимаются состояния с наименьшей энергией (самые "ненапряжные" для частиц), а последними – с самой высокой энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям заметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.

Бозоны при низких температурах ведут себя иначе - они не ограничены запретом Паули и поэтому стремятся по возможности занять самые удобные места, то есть квантовые уровни с наименьшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит следующее: они начинают двигаться очень медленно - со скоростями порядка нескольких миллиметров в секунду, очень тесно "прижимаются" друг к другу, "соскакивают" в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано - так, как вела бы себя одна гигантская квантовая частица.

Именно о такой трансформации, которая должна происходить с бозонами при температурах, близких к абсолютному нулю, Шатьендранат Бозе написал в начале 1920-х годов Альберту Эйнштейну. Бозе собирался послать свои выкладки в журнал Zeitschrift fur Physik , но Эйнштейн так вдохновился идеями индийского коллеги, что немедленно сам перевел его статью с английского на немецкий и отправил в редакцию. Создатель общей и специальной теорий относительности развил соображения Бозе (индус рассматривал только фотоны, а Эйнштейн дополнил теорию Бозе для частиц, обладающих массой) и изложил свои выводы еще в двух статьях, которые также были опубликованы в Zeitschrift fur Physik .

Практика

Таким образом, теория КБЭ была, в общем и целом, разработана в первой трети XX века, но получить вещество в этом состоянии ученым удалось только через 70 лет. Причина задержки проста - для того чтобы бозоны начали вести себя как единая квантовая система, их нужно охладить до температуры, отличающейся от абсолютного нуля (минус 273,15 градуса Цельсия) на несколько миллионных долей градуса. Долгое время физики просто не умели добиваться столь низких температур. Вторая сложность заключалась в том, что многие вещества при приближении к абсолютному нулю начинают вести себя как жидкости, а для получения КБЭ необходимо, чтобы они оставались "газами" (слово "газ" взято в кавычки, так как при сверхнизких температурах частицы вещества теряют подвижность - один из основополагающих признаков газа).

В середине 1990-х годов было показано, что щелочные металлы натрий и рубидий при охлаждении сохраняют "правильные" свойства, а значит, теоретически могут перейти в состояние КБЭ (и изотоп рубидия-87, и единственный изотоп натрия-23 имеют целые атомные спины и являются так называемыми составными бозонами). Для того чтобы понизить температуру атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений, исследователи Эрик Корнелл (Eric A. Cornell) и Карл Вимен (Carl Wieman) из JILA - объединенного института Национального института стандартов и технологии США (NIST) и университета штата Колорадо в Боулдере - использовали лазерное охлаждение вместе с охлаждением испарением.

При помощи лазеров атомы охлаждаются так: атом поглощает движущиеся ему навстречу фотоны и затем испускает излучение. При этом происходит постепенное замедление атома, а температура совокупности атомов, соответственно, понижается. Однако одного лазерного охлаждения недостаточно для достижения температур, при которых возможен переход в состояние КБЭ. "Убрать" лишние доли градуса можно, если изъять из смеси самые быстрые атомы (по такому же принципу охлаждается чашка чая, оставленная на столе).

Согласно принципу квантово-волнового дуализма, объекты микромира могут вести себя и как частицы и как волны. Чтобы вещество перешло в состояние КБЭ, его атомы должны сблизиться на расстояние, сравнимое с их длиной волны. Тогда волны начинают взаимодействовать, и поведение отдельных частиц становится скоординированным.

В 1995 году ученым из JILA удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов (один нанокельвин – это 1x10 -9 кельвина), и в итоге они перешли в состояние КБЭ. В экспериментальной камере конденсат удерживался при помощи магнитной ловушки особой конструкции. Через четыре месяца после того, как группа Корнелла и Вимена опубликовала результаты своих опытов, появилась статья физика Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института (MIT), который сумел получить КБЭ на основе атомов натрия. Кеттерле использовал несколько иной принцип удержания атомов в магнитной ловушке, и ему удалось перевести в "пятое состояние материи" намного больше атомов, чем его коллегам из JILA. В 2001 году все трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.

С 1995 года получением и изучением КБЭ занялось множество групп физиков, которые исследовали возникающие в нем завихрения, интерференцию волн между конденсатами и много чего другого. В 2009 году ученым впервые в это состояние атомы кальция - возникающая волновая картина для этого элемента заметно более четкая, чем для щелочных металлов. В 2003 году группа Кеттерле смогла создать аналог лазера из КБЭ и даже получить КБЭ из фермионов. Наконец, в 2010 году был впервые - долгое время многие физики были уверены, что это принципиально невозможно.

В частности, специалисты полагали, что кванты света будут поглощаться стенками экспериментальной камеры и "ускользать" от экспериментаторов. Для того чтобы поймать, охладить и удержать достаточное для получения и изучения КБЭ количество фотонов, ученые из университета Бонна использовали два изогнутых зеркала, расстояние между которыми составляло около 1,5 микрометров - это сравнимо с длиной волны фотонов, находящихся в квантовом состоянии с минимальной энергией.

Метод лазерного охлаждения для фотонов неприменим - они слишком слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому исследователи охлаждали их при помощи специального красителя, который поглощал и испускал кванты света. Фотоны сталкивались с его молекулами и постепенно их температура выравнивалась с температурой красителя. В отличие от атомов, для получения КБЭ на основе фотонов их не нужно охлаждать до нуля кельвинов - переход происходит уже при комнатной температуре. Сами фотоны исследователи "закачивали" в щель при помощи лазера. Переход в состояние КБЭ происходил, когда число фотонов приближалось к 60 тысячам.

У читателей может возникнуть вопрос, а зачем ученые возятся с этим непонятным КБЭ. То есть чисто фундаментальный интерес физиков "пощупать" и непосредственно увидеть проявление закономерностей квантовой механики понятен, но есть ли у "пятого состояния" какое-нибудь полезное практическое применение? Как и в случае с другими физическими открытиями, такой вопрос преждевременен - вряд ли ученые, исследовавшие свойства радиоактивного распада или электронов, могли предсказать, насколько масштабными окажутся последствия их работ.

Во-первых, рано или поздно инженеры придумывают новые приборы, в которых изучаемые объекты используются непосредственно и которые не могли быть изобретены до того, как физики описали свойства этих объектов. А во-вторых, исследование новых явлений расширяет представления людей о физике и позволяет в будущем открывать и объяснять другие неизвестные ранее явления, которые лягут в основу новых приборов и технологий, и так далее.

На данный момент одним из наиболее очевидных практических применений КБЭ считается создание на его основе сверхточных детекторов - например, детекторов магнитного или гравитационного полей. Более детальные предсказания можно будет делать по мере дальнейшего изучения свойств КБЭ, которое продвигается очень-очень быстро.

БОЗЕ-ЭЙНШТЕЙНА КОНДЕНСАЦИЯ (бозе-конденсация) - квантовое явление, состоящее в том, что в системе из большого числа частиц, подчиняющихся Бозе - Эйнштейна статистике (бозе-газ или бозе-жидкость), при темп-pax ниже вырождения температуры в состоянии с нулевым имяульсом оказывается конечная доля всех частиц системы. Термин "Б--Э. к." основан на аналогии этого явления с конденсацией газа в жидкость, хотя эти явления совершенно различны, т. к. при Б.- Э. к. она происходит в пространстве импульсов, а распределение частиц в координатном пространстве не меняется. Теория Б.- Э. к. построена А. Эйнштейном (A. Einstein) в 1925 и развита Ф. Лондоном (F. London) в 1938.

Поскольку Б.- Э. к. происходит даже в идеальном бозе-газе, её причиной являются свойства волновой ф-ции частиц, а не взаимодействия между ними. Для идеального бозе-газа из Бозе - Эйнштейна распределения

(где T - абс. темп-pa, e р - энергия частицы с импульсом - хим. потенциал) следует, что в низшем энергетич. состоянии с находится частиц. Из положительности следует, что Если фактор вырождения близок к 1, то в состоянии с может быть очень много частиц. Поэтому нельзя пренебрегать вкладом частиц с при вычислении ср. величин. Из условия постоянства полного числа частиц в объёме V следует ур-ние для :

- длина волны де-Бройля, соответствующая тепловому движению, т - масса частицы. Отсюда T 0 - темп-pa бозе-конденсации, или темп-pa вырождения, находится из условия , к-рое записывают в след. виде: .

При T=0 все частицы находятся в конденсате, при в конденсате находится лишь N 0 частиц, а остальные подчиняются с . При давление оказывается ф-цией только темп-ры и не зависит от объёма, т. к. частицы конденсата, не обладая импульсом, не дают вклада в давление. При производная теплоёмкости испытывает конечный скачок, а сама теплоёмкость, энергия и давление остаются непрерывными, следовательно система совершает своеобразный фазовый переход.

при , где а - длина рассеяния для потенциала взаимодействия. Если плотность не мала, то число частиц в конденсате можно оценить вариационным методом. Для бозе-жидкости со взаимодействием молекул как твёрдых сфер диаметра b

Для см, см 3 , поэтому 0,08. По оценкам, основанным на рассеянии нейтронов, плотность конденсата в неск. % и обладает примерно такой же температурной зависимостью, как и плотность сверхтекучей компоненты. Однако плотность частиц конденсата и плотность сверхтекучей компоненты нельзя отождествить, т. к. при T=0 К вся жидкость является сверхтекучей, хотя не все её частицы находятся в конденсате.

В газе из атомов бозонов часть атомов полностью теряет свою кинетическую энергию и импульс при достаточно низкой, но конечной температуре. Такие атомы называются бозе-конденсатом от лат. condenso – «сгущаю». Волновые функции атомов конденсата взаимно согласованы по фазе. На этой основе разработаны атомные лазеры , испускающие атомы с когерентными волновыми функциями.

Явление полной потери кинетической энергии у части идеального бозонного газа при низкой температуре теоретически открыл А. Эйнштейн в 1925 г. Процесс называется бозе-конденсацией частиц в импульсном пространстве . Его детально исследовали Фриц и Хайнц Лондоны в 1938 г. Бозе-конденсация является следствием того, что химический потенциал бозонного газа не может быть положительным. При нормальной температуре химический потенциал газа отрицательный. При уменьшении температуры химический потенциал увеличивается, и при достаточно низкой температуре достигает наибольшего возможного значения . Дальнейшее понижение температуры вызывает уменьшение числа частиц в газовой фазе и часть атомов выпадает в конденсат.

Хайнц Лондон (1907–1970) и Фриц Лондон (1900–1954) –

основатель теории сверхпроводимости и квантовой химии

Получить конденсацию экспериментально не удавалось более 50 лет, поскольку при низкой температуре межатомное взаимодействие притягивает атомы друг к другу, образуются кластеры и далее жидкое или твердое состояние до начала бозе-конденсации. Кластер возникает при столкновении трех и более частиц, что вероятнее при высокой концентрации. При низкой концентрации частиц преобладают парные столкновения, обеспечивающие установление теплового равновесия. Для предотвращения образования кластеров нужно снижать концентрацию газа. Метастабильный бозе-конденсат в разреженных газах атомов рубидия, натрия, лития впервые получили В. Кеттерле, К. Виман и Э. Корнелл в 1995 г. Атомы водорода конденсированы в 1997 г. Бозе-конденсат проявляет уникальные свойства: температура , скорость света , скорость звука .

Вольфганг Кеттерле, Карл Виман, Эрик Корнелл

Атомы бозоны . Спин атома складывается из спинов электронов оболочки и нуклонов ядра, их спины равны 1/2. Число электронов равно числу протонов, поэтому их общий спин в электрически нейтральном атоме целочисленный. Спин атома определяется числом нейтронов. Бозонами являются атомы с четным числом нейтронов , например: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , где нижняя цифра – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, или число протонов в ядре, верхняя цифра – массовое число, или число протонов и нейтронов в ядре. Атом с четной разностью цифр является бозоном. При сверхнизких температурах атомы находятся в основном состоянии, поэтому первые два имеют нулевой спин, а у последних трех спин равен единице. Число спиновых состояний

Барионное число нуклонов сохраняется, поэтому число атомов в изолированной системе не изменяется.

Распределение бозонов по энергии . Используем распределение Бозе–Эйнштейна (4.10) для среднего числа частиц в одном состоянии

,

и плотность состояний трехмерного газа (3.8)

, .

Получаем число частиц в интервале энергии в газе объемом V

. (4.77)

Полное число частиц находим из (4.77)

. (4.78)

Химический потенциал определяется из (4.78). При изменении температуры число частиц сохраняется, тогда от T не зависит

,

где учтено . Следовательно, при уменьшении температуры уменьшается |m|, и химический потенциал увеличивается от отрицательных значений до нуля. Если – температура, при которой химический потенциал обращается в нуль:

тогда при выполняется

. (4.79)

При понижении температуры ниже рост μ невозможен, и (4.78) выполняется за счет уменьшения числа частиц газа .

Порог конденсации – это верхняя граница интервала температуры , где химический потенциал равен нулю. Из (4.78) получаем

,

где N – число частиц газа при нормальной температуре. Используя

при , находим интеграл

,

получаем

. (4.80)

Температура порога конденсации возрастает с увеличением концентрации атомов и с уменьшением массы атома .

Массу атома выражаем через молярную массу

концентрацию атомов выражаем через молярный объем

.

Из (4.80) в системе единиц СГС получаем

[К]. (4.81)

Для 2 He 4 с параметрами:

, , ,

Получим длину волны де Бройля при . Для атома со средней энергией

и импульсом

используем (4.80) и получаем

,

.

Учитывая , где d – среднее расстояние между атомами, находим

.

При понижении температуры длина волны де Бройля атома увеличивается и при достижении порога конденсации сравнивается с расстоянием между атомами . Волновые функции частиц перекрываются, интерферируют и бозе-конденсат проявляет квантовые свойства.

Число конденсированных частиц . В интервале температур химический потенциал равен нулю. При температуре ниже Т 0 уравнение (4.78)

, ,

выполняется за счет уменьшения числа частиц в газовой фазе от первоначального N до текущего N 1 (Т ). Аналогично (4.80) получаем

, .

Результат делим на (4.80)

,

и находим число и концентрацию частиц, оставшихся при в газовой фазе:

, (4.82)

. (4.82а)

Число конденсированных частиц

. (4.83)

Относительное число конденсированных частиц показано на рисунке.

Внутренняя энергия и теплоемкость . Используя (4.77)

,

получаем внутреннюю энергию

, (4.84)

В области конденсации находим

, (4.85)

.

Внутренняя энергия определяется вкладом лишь газовой фазы, внутренняя энергия конденсированной фазы равна нулю . Из (4.85) и (4.82)

находим энергию, приходящуюся на частицу газовой фазы в области конденсации:

. (4.86)

Из (4.85) находим теплоемкость ниже порога конденсации:

. (4.87)

Учитывая (4.80)

,

из (4.87) получаем теплоемкость при температуре конденсации

. (4.87а)

Свободная энергия . Из (4.85)

и из уравнения Гиббса–Гельмгольца (2.29) находим

. (4.88)

Энтропия и давление выражаются через свободную энергию

С учетом (4.88) в области конденсации получаем

, (4.89)

, (4.90а)

Выражение (4.90б) является уравнением состояния нерелятивистского идеального квантового газа , и совпадает с уравнением состояния классического идеального газа. Сравнивая (4.89) и (4.82)

,

находим, что энтропия пропорциональна числу частиц газовой фазы . Следовательно, энтропия конденсированной фазы равна нулю . Давление (4.90а) определяется температурой и не зависит от объема. Конденсированные частицы имеют нулевой импульс и не создают давления. Оно определяется концентрацией частиц газовой фазы (4.82а)

,

. (4.91)

Осуществление конденсации . Двухчастичные столкновения обеспечивают термодинамическое равновесие газа. Трехчастичные столкновения приводят к образованию жидкого и твердого состояний. При относительно больших плотностях газа существенны трехчастичные столкновения. Межатомное взаимодействие образует жидкое или кристаллическое состояние при низких температурах. При малой плотности газа вероятность трехчастичных столкновений существенно меньше двухчастичных столкновений. В результате при низких температурах возможно газообразное метастабильное состояние с достаточно большим временем жизни. Первые конденсаты получены из атомов рубидия, натрия, водорода при температуре газовой фазы ~10 –2 К, под давлением P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Удержание газа в вакуумированной стеклянной ячейке в области размером менее 1 мм осуществляется магнитной ловушкой . Система катушек создает неоднородное магнитное поле с абсолютным минимумом в центре. Магнитный момент атомаp m в магнитном поле B получает энергию (–p m ×B ). Для точки 2 в центре ловушки поле пренебрежимо мало, для точки 1 в стороне от центра поле B сильное. При термодинамическом равновесии электрохимические потенциалы во всех точках одинаковые

.

Магнитная ловушка

В основном состоянии атома 2 Не 4 спины электронов направлены в противоположенные стороны, их магнитные моменты скомпенсированы и у атома нет собственного магнитного момента. При включении внешнего магнитного поля в атоме возникает круговой ток электронов благодаря явлению электромагнитной индукции. Согласно правилу Ленца, индуцированный магнитный момент направлен против внешнего поля, это дает

,

Химический потенциал растет с увеличением концентрации частиц, тогда получаем

Атомы с магнитными моментами, направленными против поля, выталкиваются из сильного в слабое магнитное поле – «диамагнитные атомы ищут слабое поле ». В результате атомы собираются и удерживаются в центре ловушки. Область удержания имеет вид сигары диаметром ~(10…50) мкм, длиной ~300 мкм. Из ловушки атомы выводятся коротким импульсом высокочастотного излучения, наклоняющего магнитные моменты атомов. Возникает суперпозиция состояний с моментами, направленными против- и по полю, последнее состояние выталкивается ловушкой.

Для удержания бозе-конденсата также разработаны микросхемы, создающие необходимую конфигурацию магнитного поля на расстоянии ~0,1 мм от своей поверхности и потребляющие мощность ~1 Вт. На таких расстояниях чип создает более неоднородное магнитное поле, чем катушка, обеспечивая лучшее удержание газа. Чип миниатюрен, имеет комнатную температуру, его тепловое излучение слабо поглощается газом. Изменением токов чипа можно перемещать центр ловушки и двигать бозе-конденсат вдоль поверхности чипа.

Охлаждение газа осуществляется лазерным методом , основанным на эффекте Доплера. Если на хаотически движущиеся атомы направить лазерное излучение с частотой n < n 0 , где n 0 – частота резонансного поглощения атома, то покоящиеся и движущиеся от лазера атомы не поглощают излучение. Атом, движущийся к лазеру со скоростью V , воспринимает частоту

и при n¢ = n 0 поглощает фотон. В результате атом получает импульс против своей скорости и тормозится. Возбужденный атом излучает энергию в среднем изотропно. Излучение в близкой инфракрасной области спектра, созданное полупроводниковыми лазерами и направленное на газ с шести взаимно перпендикулярных сторон, приводит к его охлаждению.

Используется также испарительное охлаждение путем выбрасывания с периферии ловушки атомов, имеющих наибольшую скорость, при помощи высокочастотного магнитного поля. Оно наклоняет магнитные моменты, создает составляющую по направлению поля, которая выбрасывается ловушкой. Частицы с более высокой скоростью быстрее достигают границы газа и их концентрация у границы выше концентрации частиц с малой скоростью. Поэтому больше вероятность испарения высокоэнергичных частиц. Для ловушки на основе катушек происходит охлаждение до температуры газовой фазы порядка 10 –7 К за время от 10 с до 10 мин. Для чипа необходимая для конденсации температура достигается за время меньшее 1 с. Концентрация атомов конденсата составляет ~10 14 см –3 , тепловая энергия соответствует температуре, меньшей 10 –11 К.

Помимо известных каждому семикласснику трех агрегатных состояний вещества (твердое тело, жидкость и газ), существуют и другие агрегатные состояния. Одним из них является конденсат Бозе — — состояние материи, которое достигается при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии вещество начинает проявлять различные интересные свойства, например группа частиц ведет себя, как одиночная частица. Возможность такого состояния была предсказана в 1925 году Альбертом Эйнштейном. В 1995 году американские физики Эрик Корнелл и Карл Виман поставили эксперимент, в ходе которого получили бозе-эйнштейновский конденсат (за это открытие они в 2001 году вместе с немцем Вольфгангом Кеттерле получили Нобелевскую премию).

В своем эксперименте ученые использовали атомы металла (рубидия). А вот идея создать конденсат Бозе-Эйнштейна из других частиц, в частности фотонов, чтобы система вела себя как один «суперфотон», натолкнулась на фундаментальную проблему. Дело в том, что фотоны, хотя и обладают свойствами частиц, при охлаждении поглощались окружающими материалами, проявляя тем самым свою волновую природу.

Физикам из Боннского университета во главе с Мартином Вейтцем удалось решить эту проблему.

Причем они создали конденсат Бозе-Эйшнтейна при комнатной температуре.

В одном из описаний этой работы присутствует, например, такое словосочетание, как «маленькая сенсация». Зоран Хаджибабич из Кембриджского университета сказал New Scientist , что работа немецких ученых, которая опубликована в Nature , «замыкает круг, который теоретически начали рисовать Бозе и Эйнштейн 85 лет назад».

Volker Lannert, University of Bonn

Восхищения заслуживает и простота экспериментальной установки немецких физиков. В своем эксперименте они использовали два вогнутых зеркала высокой отражающей способности, удаленные друг от друга на расстояние 1 микрон (10 -6 метра). Зеркала были помещены в «краситель» — жидкую органическую среду красного цвета. В эту среду экспериментаторы импульсно пускали лучи зеленого лазера. Свет, многократно отражаясь от зеркал, проходил через «краситель». При этом молекулы «красителя» поглощали лазерные фотоны и переизлучали их с более низкой энергией, в желтой области видимого цвета. То есть ученые достигли в своей ловушке равновесного энергетического состояния фотонов при комнатной температуре.

«В ходе этого процесса фотоны охладились до комнатной температуры и при этом они «не потерялись», — объяснил Мартин Вейтц.

Увеличив количество фотонов в установке (для этого нужно было сделать лазер поярче), ученые добились плотности около триллиона фотонов на кубический сантиметр. При такой плотности появились фотоны, которые не могли поучаствовать в энергетическом равновесии. Эти избыточные фотоны одновременно перешли в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, сконденсировались в один большой «суперфотон». «Все фотоны начали идти нога в ногу», — так прокомментировал Вейтц это явление.

По сравнению с формированием конденсата Бозе — Эйнштейна из охлажденных атомов рубидия нынешний эксперимент кажется до смешного простым», — заявил Nature News Матиас Вейдемюллер из университета Фрайберга. Он считает, что методика конденсации света, предложенная немецкими учеными, может быть особенно эффективной для сбора и фокусировки солнечных лучей в солнечных батареях в пасмурную погоду, когда нет возможности собирать прямое освещение.

Кроме того, эта схема может позволить создать новые источники коротковолнового лазерного излучения, в частности рентгеновского.

Сам Вайтц считает, что работа его и коллег может помочь в дальнейшем уменьшить размеры электронных устройств, в частности компьютерных микрочипов. Это, в свою очередь, может позволить создать компьютеры нового поколения, с большей производительностью, чем нынешние.

Ну а Вольфганг Кеттерле, один из лауреатов Нобелевской премии за получение конденсата Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия, заявил: «Когда я читаю лекции, то рассказываю студентам, почему бозе-эйнштейновский конденсат не может быть получен с использованием фотонов, чтобы показать фундаментальное различие между фотонами и атомами. Но теперь это различие исчезло».

В целом частицы можно разделить на фермионы и бозоны (с полуцелым и целым значением спина). Когда вы охлаждаете бозоны до температур, близких к абсолютному нулю, они могут сконденсироваться в коллективное состояние материи, известное как конденсат Бозе - Эйнштейна , когда довольно большое число атомов оказывается в идентичном квантовом состоянии, что позволяет наблюдать разные необычные феномены, вроде той же сверхпроводимости.

Первый опыт по получению конденсата имел дело с атомами рубидия, охлаждёнными почти до абсолютного нуля. Слева - данные по распределению скорости атомов до появления конденсата, в центре - сразу после, справа - через некоторое время. (Илл. R. Zhang.)

От теоретического постулирования конденсата в 1925 году до его первого обнаружения в лаборатории прошло 60 лет, но до покорения всех вершин, связанных с этим явлением, всё ещё очень далеко. В частности, конденсат получали на основе атомов рубидия в газообразном состоянии, хотя было бы куда лучше иметь дело с фотонами. Кроме чисто теоретического значения, такой результат мог бы найти и применение - в лазерах с необычными свойствами или даже новых типах солнечных батарей.

Но могут ли фотоны «сконденсироваться»? Частицы света не имеют массы, а ведь её наличие кажется ключевым требованием для получения конденсата Бозе - Эйнштейна. Чтобы преодолеть эту сложность, физики пробовали удерживать свет в оптическом резонаторе, между двумя параллельными светоотражающими пластинами, что заставило бы фотоны вести себя так, словно масса у них есть. Чтобы свет не «утекал» из такой ловушки, её стенки следует выполнять слегка искривлёнными.

В 2010 году было экспериментально показано, что создание такой ловушки вполне реально, но оставались серьёзные проблемы с интерпретацией результатов таких опытов. Чтобы быть уверенными в них, надо было выполнить несколько специфических требований. Во-первых, вся система должна быть двумерной, абсолютно плоской, что весьма непросто реализовать в трёхмерном мире. Во-вторых, нужна уверенность, что среда между фотонами (а это не воздух) не влияет на их «конденсацию» при охлаждении.