Torstaina 24. marraskuuta yhdessä arvostetuimmista tieteellisistä julkaisuista - Luonto- artikkeli ilmestyi tutkijoilta, jotka onnistuivat ensimmäistä kertaa saamaan fotoniin perustuvan Bose-Einstein-kondensaatin. Todennäköisesti useimmille lukijoille edellinen lause ei sanonut mitään - eikä yllättävää. Bose-Einstein-kondensaatti on hyvin spesifinen mutta uskomattoman mielenkiintoinen aineen muoto, jota joskus kutsutaan sen viidenneksi tilaksi ja joka vastaa kiinteää, nestemäistä, kaasumaista ja plasmaa. Kun aine on tässä tilassa, kvanttiefektit alkavat näkyä siinä makrotasolla - itse asiassa Bose-Einstein-kondensaatti on suuri (erittäin suuri) kvanttihiukkanen.

Teoria

Fotoneihin perustuva Bose-Einstein-kondensaatti (BEC) on erittäin "edistynyt" versio BEC:stä, ja hyvin pitkään uskottiin, että sitä ei periaatteessa voida saada. Mutta ennen kuin puhumme siitä, on syytä selittää, mikä Bose-Einstein-kondensaatti on. Intiaa voidaan pitää tämän käsitteen syntymäpaikkana - siellä suurin osa ajasta asui ja työskenteli, mikä osoittaa ensimmäistä kertaa aiemmin tuntemattoman aineen olemassaolon mahdollisuuden. Tämän miehen nimi oli Shatyendranath Bose, ja hän oli yksi kvanttimekaniikan perustajista.

Bosen tieteellisten ansioiden kunniaksi yksi alkuainehiukkastyypeistä, bosonit, nimettiin hänen mukaansa. Bosoneihin kuuluvat esimerkiksi fotonit - sähkömagnetismin kantajat ja gluonit, jotka kantavat vahvaa vuorovaikutusta ja määräävät kvarkkien vetovoiman toisiinsa. Kuuluisa Higgsin bosoni, jota varten Large Hadron Collider luotiin, kuuluu myös tähän alkuainehiukkasten luokkaan.

Hiukkasen kuuluminen bosoneihin määräytyy sen spinin avulla - alkuainehiukkasten sisäisestä kulmaliikemäärästä (joskus spinin käsite määritellään hiukkasen pyörimiseksi oman akselinsa ympäri, mutta tällainen esitys yksinkertaistaa tilannetta liikaa). Bosonin spin on aina kokonaisluku - eli se ilmaistaan ​​kokonaislukuna. Toisella alkeishiukkasten lajikkeella - fermioneilla - on puolikokonaisluvun spin.

Fermionit (vasemmalla) asettuvat riviin kvanttitasojen energioiden mukaan, kun taas bosonit (oikealla) voivat kerääntyä tasolle, jolla on alhaisin energia. Kuva PersT Bulletinin numerosta 23, 2003

Bosonit ja fermionit eroavat toisistaan ​​paitsi spinin arvon suhteen - nämä hiukkaset eroavat useista perusominaisuuksista. Erityisesti bosonit eivät välttämättä tottele ns. Paulin periaatetta eli kieltoa, jonka mukaan kaksi alkeishiukkasta ei voi olla samassa kvanttitilassa. Kvanttitilat eroavat toisistaan ​​energian suhteen, ja matalissa lämpötiloissa fermionit (jotka noudattavat tiukasti Paulin poissulkemista) täyttävät vuorotellen peräkkäisiä tiloja. Alhaisimman energian tilat (hiukkasille eniten "jännittymättömät") ovat käytössä ensin, ja suurimman energian tilat ovat viimeisiä. Selkeimmin tämä fermionien ominaisuus asettua linjaan kvanttitilojen mukaan on havaittavissa matalissa lämpötiloissa, kun lämpötilan vaihtelut eivät peitä järjestelmän käyttäytymistä.

Matalissa lämpötiloissa olevat bosonit käyttäytyvät eri tavalla - Paulin poissulkeminen ei rajoita niitä, ja siksi niillä on taipumus miehittää sopivimmat paikat, toisin sanoen kvanttitasot, joilla on alhaisin energia, jos mahdollista. Tämän seurauksena bosonien jäähtyessä tapahtuu seuraavaa: ne alkavat liikkua hyvin hitaasti - useiden millimetrien luokkaa sekunnissa nopeuksilla, "puristavat" toisiaan hyvin tiiviisti, "hyppäävät" samaan kvanttitilaan ja lopulta alkaa käyttäytyä koordinoidusti - kuten yksi jättiläinen kvanttihiukkanen käyttäytyisi.

Shatyendranath Bose kirjoitti Albert Einsteinille 1920-luvun alussa tästä muutoksesta, jonka pitäisi tapahtua bosonien kanssa lähellä absoluuttista nollaa. Bose aikoi lähettää laskelmansa lehteen Zeitschrift fur Physik, mutta Einstein inspiroitui niin paljon intialaisen kollegansa ideoista, että hän käänsi artikkelinsa välittömästi englannista saksaksi ja lähetti sen toimittajalle. Yleisten ja erityisten suhteellisuusteorioiden luoja kehitti Bosen pohdintoja (hindulaiset pitivät vain fotoneja ja Einstein täydensi Bosen teoriaa massaisten hiukkasten osalta) ja esitti johtopäätöksensä kahdessa muussa artikkelissa, jotka myös julkaistiin Zeitschrift fur Physik.

Harjoitella

Näin ollen BBE-teoria kehitettiin suurelta osin 1900-luvun ensimmäisellä kolmanneksella, mutta tutkijat onnistuivat saamaan aineen tähän tilaan vasta 70 vuoden kuluttua. Syy viiveeseen on yksinkertainen - jotta bosonit alkaisivat käyttäytyä yhtenä kvanttijärjestelmänä, ne on jäähdytettävä lämpötilaan, joka eroaa absoluuttisesta nollasta (miinus 273,15 astetta) useilla asteen miljoonasosilla. Fyysikot eivät yksinkertaisesti pystyneet saavuttamaan niin alhaisia ​​lämpötiloja pitkään aikaan. Toinen vaikeus oli, että monet aineet lähestyessään absoluuttista nollaa alkavat käyttäytyä kuin nesteet, ja BEC:n saamiseksi on välttämätöntä, että ne pysyvät "kaasuina" (sana "kaasu" on lainausmerkeissä, koska erittäin alhaisissa lämpötiloissa aineen hiukkaset menettävät liikkuvuutensa - yksi kaasun perusmerkeistä).

1990-luvun puolivälissä osoitettiin, että alkalimetallit natrium ja rubidium säilyttävät "oikeat" ominaisuutensa jäähtyessään, mikä tarkoittaa, että ne voivat teoriassa mennä BEC-tilaan (sekä rubidium-87-isotooppi että ainoa natrium-23-isotooppi joilla on kokonaisluku atomispinit ja ne ovat ns. yhdistelmäbosoneja). Rubidiumatomien lämpötilan alentamiseksi vaadittuihin erittäin alhaisiin lämpötiloihin tutkijat Eric A. Cornell ja Carl Wieman JILAsta - Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) ja Coloradon yliopiston yhteisestä instituutista Boulder - käytetty laserjäähdytys yhdessä haihdutusjäähdytyksen kanssa.

Lasereiden avulla atomit jäähdytetään seuraavasti: atomi absorboi sitä kohti liikkuvia fotoneja ja lähettää sitten säteilyä. Tässä tapauksessa tapahtuu atomin asteittainen hidastuminen ja vastaavasti atomien aggregaatin lämpötila laskee. Pelkkä laserjäähdytys ei kuitenkaan riitä saavuttamaan lämpötiloja, joissa siirtyminen BEC-tilaan on mahdollista. Voit "poistaa" ylimääräisiä asteen murto-osia, jos poistat seoksesta nopeimmat atomit (pöydälle jäänyt teekuppi jäähdytetään samalla periaatteella).

Kvanttiaaltodualismin periaatteen mukaan mikromaailman esineet voivat käyttäytyä sekä hiukkasina että aaltoina. Jotta aine pääsisi BEC-tilaan, sen atomien on lähestyttävä toisiaan etäisyyden verran, joka on verrattavissa niiden aallonpituuteen. Sitten aallot alkavat olla vuorovaikutuksessa ja yksittäisten hiukkasten käyttäytyminen koordinoituu.

Vuonna 1995 JILA:n tutkijat onnistuivat jäähdyttämään noin 2 tuhatta rubidium-87-atomia 20 nanokelvinin lämpötilaan (yksi nanokelvin on 1x10 -9 kelviniä), ja seurauksena ne siirtyivät KBE-tilaan. Kondensaattia pidettiin koekammiossa erityisrakenteisen magneettilukon avulla. Neljä kuukautta sen jälkeen, kun Cornell ja Wieman -ryhmä julkaisi tulokset, Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) fyysikko Wolfgang Ketterle julkaisi artikkelin, joka onnistui saamaan natriumatomeihin perustuvan BEC:n. Ketterle käytti hieman erilaista periaatetta atomien pitämisestä magneettiloukussa, ja hän onnistui siirtämään paljon enemmän atomeja "aineen viidenteen tilaan" kuin hänen kollegansa JILAsta. Vuonna 2001 kaikille kolmelle tiedemiehelle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto.

Vuodesta 1995 lähtien monet fyysikkoryhmät ovat harjoittaneet BEC:n hankkimista ja tutkimista, jotka ovat tutkineet siinä syntyviä pyörteitä, aaltojen häiriötä kondensaattien välillä ja paljon muuta. Vuonna 2009 tutkijat ensimmäistä kertaa tässä kalsiumatomien tilassa - tämän alkuaineen esiintuleva aaltokuvio on huomattavasti selkeämpi kuin alkalimetallien. Vuonna 2003 Ketterle-ryhmä pystyi luomaan laserin analogin BEC:stä ja jopa saamaan BEC:n fermioneista. Lopulta vuonna 2010 se oli ensimmäistä kertaa - pitkään monet fyysikot olivat varmoja, että tämä oli pohjimmiltaan mahdotonta.

Erityisesti asiantuntijat uskoivat, että valokvantit imeytyvät koekammion seiniin ja "pakenevat" kokeilijoiden luota. Bonnin yliopiston tutkijat käyttivät kahta kaarevaa peiliä, joiden välinen etäisyys oli noin 1,5 mikrometriä, saadakseen, jäähdyttääkseen ja pitääkseen tarpeeksi fotoneja BEC:n saamiseksi ja tutkimiseksi. Tämä on verrattavissa kvanttitilassa olevien fotonien aallonpituuteen. minimienergia.

Fotonien laserjäähdytysmenetelmää ei voida soveltaa - ne vuorovaikuttavat liian heikosti toistensa kanssa, joten tutkijat jäähdyttivät ne erityisellä väriaineella, joka absorboi ja emittoi valokvantteja. Fotonit törmäsivät sen molekyyleihin ja vähitellen niiden lämpötila kohdistettiin väriaineen lämpötilaan. Toisin kuin atomit, fotonipohjaisten BEC:ien saamiseksi niitä ei tarvitse jäähdyttää nollaan kelvineihin - siirtyminen tapahtuu jo huoneenlämpötilassa. Tutkijat itse "pumppasivat" fotonit rakoon laserilla. Siirtyminen BEC-tilaan tapahtui, kun fotonien määrä lähestyi 60 000:ta.

Lukijat saattavat ihmetellä, miksi tiedemiehet vaivautuvat tämän käsittämättömän KBE:n kanssa. Toisin sanoen fyysikkojen puhtaasti perustavanlaatuinen kiinnostus "tuntea" ja nähdä suoraan kvanttimekaniikan lakien ilmentymä on ymmärrettävää, mutta onko "viidennellä tilalla" mitään hyödyllistä käytännön sovellusta? Kuten muidenkin fyysisten löytöjen tapauksessa, tällainen kysymys on ennenaikainen - on epätodennäköistä, että radioaktiivisen hajoamisen tai elektronien ominaisuuksia tutkineet tiedemiehet voisivat ennustaa, kuinka laajat heidän työnsä seuraukset olisivat.

Ensin ennemmin tai myöhemmin insinöörit keksivät uusia laitteita, joissa tutkittuja esineitä käytetään suoraan ja joita ei voitu keksiä ennen kuin fyysikot kuvasivat näiden esineiden ominaisuuksia. Ja toiseksi, uusien ilmiöiden tutkiminen laajentaa ihmisten ymmärrystä fysiikasta ja mahdollistaa tulevaisuudessa muiden aiemmin tuntemattomien ilmiöiden löytämisen ja selittämisen, jotka muodostavat perustan uusille laitteille ja teknologioille ja niin edelleen.

Tällä hetkellä yhtenä ilmeisimmistä BEC:n käytännön sovelluksista pidetään siihen perustuvien ultratarkkojen ilmaisimien, esimerkiksi magneetti- tai gravitaatiokenttien ilmaisimien, luomista. Tarkempia ennusteita voidaan tehdä, kun BEC:n ominaisuuksia tutkitaan edelleen, mikä etenee hyvin, hyvin nopeasti.

BOSE-EINSTEIN KONDENSAATIO(Bose-kondensaatio) - kvanttiilmiö, joka koostuu siitä, että järjestelmässä, jossa suuri määrä hiukkasia tottelee Bose - Einsteinin tilastot(Bose-kaasu tai Bose-neste), temp-pax alla lämpötilan rappeutuminen tilassa, jossa on nollanimipulssi, on äärellinen osa järjestelmän kaikista hiukkasista. Termi "B-E. to." perustuu tämän ilmiön analogiaan kaasun tiivistymisen kanssa nesteeksi, vaikka nämä ilmiöt ovatkin täysin erilaisia, koska B.-E:n aikana se tapahtuu momenttiavaruudessa ja hiukkasten jakautuminen koordinaatissa tila ei muutu. Teoria B.-E. to.:sta, jonka A. Einstein (A. Einstein) rakensi vuonna 1925 ja kehitti F. London (F. London) vuonna 1938.

Koska BEC:tä esiintyy jopa ihanteellisessa Bose-kaasussa, se johtuu hiukkasten aaltofunktion ominaisuuksista, ei niiden välisistä vuorovaikutuksista. Ihanteelliselle Bose-kaasulle Bose - Einstein-jakelu

(missä T- abs. temp-pa, e R- liikemäärän omaavan hiukkasen energia - kemia. potentiaali) tästä seuraa, että alimmassa energiassa. tila on hiukkasten kanssa. Positiivisuudesta seuraa, että jos rappeutumistekijä on lähellä 1, silloin tilassa c voi olla paljon hiukkasia. Siksi hiukkasten c osuutta ei voida jättää huomiotta cp:n laskennassa. määriä. Tilavuuden hiukkasten kokonaismäärän pysyvyyden ehdosta V seuraa ur-tiota:

on lämpöliikettä vastaava de Broglien aallonpituus, t on hiukkasen massa. Täältä T0- Bosen kondensoitumisnopeus eli rappeutumisnopeus saadaan ehdosta , joka on kirjoitettu jäljitykseen. muoto: .

klo T = 0 kaikki hiukkaset ovat kondensaatissa, kun taas kondensaatissa on vain N 0 hiukkasia, ja loput noudattavat . Kun paine osoittautuu vain lämpötilan funktioksi eikä se riipu tilavuudesta, koska kondensaattihiukkaset, joilla ei ole liikemäärää, eivät vaikuta paineeseen. Kohteessa , lämpökapasiteetin derivaatta kokee äärellisen hypyn, kun taas lämpökapasiteetti itse, energia ja paine pysyvät jatkuvina, joten järjestelmässä tapahtuu eräänlainen vaihemuutos.

missä a on vuorovaikutuspotentiaalin sirontapituus. Jos tiheys ei ole pieni, niin kondensaatin hiukkasten lukumäärä voidaan arvioida variaatiomenetelmällä. Bose-nesteelle, jossa molekyylit ovat vuorovaikutuksessa halkaisijaltaan kovina palloina b

cm:lle cm 3 on siis 0,08. Neutronisirontaan perustuvien arvioiden mukaan kondensaatin tiheys useissa % ja sillä on suunnilleen sama lämpötilariippuvuus kuin supernestekomponentin tiheydellä. Kondensaattihiukkasten tiheyttä ja supernestekomponentin tiheyttä ei kuitenkaan voida tunnistaa, koska klo. T = 0 Kaikki neste on supernestettä, vaikka kaikki sen hiukkaset eivät ole kondensaatissa.

Bosoniatomien kaasussa jotkut atomeista menettävät täysin kineettisen energiansa ja liikemääränsä riittävän alhaisessa, mutta rajallisessa lämpötilassa. Tällaisia ​​atomeja kutsutaan bosen kondensaatti lat. condenso - "paksua". Kondensaattiatomien aaltofunktiot ovat keskenään vaihesovitettuja. Tältä pohjalta kehitetty atomilaserit emittoivat atomeja koherenteilla aaltofunktioilla.

A. Einstein löysi teoriassa vuonna 1925 ideaalisen bosonikaasun osan kineettisen energian täydellisen häviämisen alhaisessa lämpötilassa. Prosessi on ns. Hiukkasten Bose-kondensaatio liikemääräavaruudessa . Fritz ja Heinz London tutkivat sitä yksityiskohtaisesti vuonna 1938. Bosen kondensoituminen on seurausta siitä, että bosonisen kaasun kemiallinen potentiaali ei voi olla positiivinen. Normaalilämpötilassa kaasun kemiallinen potentiaali on negatiivinen. Lämpötilan laskiessa kemiallinen potentiaali kasvaa, ja riittävän alhaisessa lämpötilassa se saavuttaa korkeimman mahdollisen arvon. Lämpötilan lasku lisää hiukkasten määrää kaasufaasissa ja osa atomeista putoaa kondensaattiin.

Heinz London (1907–1970) ja Fritz London (1900–1954) –

suprajohtavuusteorian ja kvanttikemian perustaja

Kondensaatiota ei ollut mahdollista saada kokeellisesti yli 50 vuoteen, koska alhaisessa lämpötilassa atomien välinen vuorovaikutus houkuttelee atomeja toisiinsa, muodostuu klustereita ja sitten nestemäinen tai kiinteä tila ennen Bosen kondensaation alkamista. Klusteri syntyy, kun kolme tai useampi hiukkanen törmää, mikä on todennäköisempää korkealla pitoisuudella. Pienellä hiukkaspitoisuudella vallitsevat paritörmäykset, jotka varmistavat lämpötasapainon muodostumisen. Klusterien muodostumisen estämiseksi on tarpeen vähentää kaasun pitoisuutta. W. Ketterle, K. Wieman ja E. Cornell saivat ensimmäisen kerran metastabiilia Bose-kondensaattia rubidium-, natrium- ja litiumatomien harvinaisissa kaasuissa vuonna 1995. Vetyatomit kondensoitiin vuonna 1997. Bose-kondensaatilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia: lämpötila, valon nopeus , äänen nopeus.

Wolfgang Ketterle, Carl Wiemann, Eric Cornell

bosoniatomit. Atomin spin on kuoren elektronien ja ytimen nukleonien spinien summa, niiden spinit ovat 1/2. Elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä, joten niiden kokonaisspin sähköisesti neutraalissa atomissa on kokonaisluku. Atomin spin määräytyy neutronien lukumäärän mukaan. Bosonit ovat atomeja, joissa on parillinen määrä neutroneja. , esimerkiksi: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , jossa alempi numero on alkuaineen sarjanumero jaksollisessa taulukossa tai protonien lukumäärä ytimessä, ylempi numero on massaluku tai protonien ja neutronien lukumäärä ytimessä. Atomi, jonka numeroissa on parillinen ero, on bosoni. Ultraalhaisissa lämpötiloissa atomit ovat perustilassa, joten kahdella ensimmäisellä spin on nolla, kun taas kolmella viimeisellä spin yksi. Pyörimistilojen lukumäärä

Nukleonien baryoniluku on säilynyt, joten atomien määrä eristetyssä järjestelmässä ei muutu.

Bosonien energian jakautuminen. Käytämme Bose–Einstein-jakaumaa (4.10) keskimääräiselle hiukkasmäärälle yhdessä tilassa

,

ja kolmiulotteisen kaasun tilojen tiheys (3.8)

, .

Saamme hiukkasten lukumäärän energiavälillä kaasussa, jolla on tilavuus V

. (4.77)

Partikkelien kokonaismäärä etsi kohteesta (4.77)

. (4.78)

Kemiallinen potentiaali määritetään arvosta (4.78). Kun lämpötila muuttuu, hiukkasten määrä pysyy samana, sitten alkaen T ei riipu

,

missä otetaan huomioon. Siksi lämpötilan laskiessa |m| pienenee ja kemiallinen potentiaali kasvaa negatiivisista arvoista nollaan. Jos on lämpötila, jossa kemiallinen potentiaali katoaa:

Milloin sitten

. (4.79)

Kun lämpötila laskee alle, μ:n kasvu on mahdotonta, ja (4.78) täyttyy kaasuhiukkasten määrän vähenemisen vuoksi.

Kondensaatiokynnys on lämpötila-alueen yläraja, jossa kemiallinen potentiaali on nolla. Alkaen (4.78) saamme

,

missä N on kaasuhiukkasten lukumäärä normaalilämpötilassa. Käyttämällä

, löydämme integraalin

,

saamme

. (4.80)

Kondensaatiokynnyslämpötila nousee atomipitoisuuden kasvaessa ja atomin massan pienentyessä .

Atomin massa ilmaistaan ​​moolimassana

atomien pitoisuus ilmaistaan ​​moolitilavuutena

.

CGS-yksiköiden järjestelmässä (4.80) saadaan

[TO]. (4,81)

2 He 4:lle parametrein:

, , ,

Saamme de Broglien aallonpituuden kohdassa . Keskimääräisen energian omaavalle atomille

ja vauhtia

käytä (4.80) ja hanki

,

.

Ottaen huomioon missä d on keskimääräinen atomien välinen etäisyys, löydämme

.

Lämpötilan laskiessa atomin de Broglien aallonpituus kasvaa ja kun kondensaatiokynnys saavutetaan, sitä verrataan atomien väliseen etäisyyteen. Hiukkasten aaltofunktiot menevät päällekkäin, häiritsevät, ja Bose-kondensaatilla on kvanttiominaisuuksia.

Kondensoituneiden hiukkasten lukumäärä. Lämpötila-alueella kemiallinen potentiaali on nolla. Alemmissa lämpötiloissa T 0 yhtälö (4.78)

, ,

suoritetaan vähentämällä hiukkasten lukumäärää kaasufaasissa alkuperäisestä N nykyiseen N 1 (T). Samalla tavalla kuin (4.80) saadaan

, .

Tulos jaetaan arvolla (4,80)

,

ja selvitä kaasufaasissa jäljellä olevien hiukkasten lukumäärä ja pitoisuus:

, (4.82)

. (4.82a)

Kondensoituneiden hiukkasten lukumäärä

. (4.83)

Kondensoituneiden hiukkasten suhteellinen lukumäärä on esitetty kuvassa.

Sisäinen energia- ja lämpökapasiteetti. Käytetään (4.77)

,

saada sisäistä energiaa

, (4.84)

Kondensaatioalueelta löydämme

, (4.85)

.

Sisäinen energia määräytyy vain kaasufaasin vaikutuksesta, kondensoidun faasin sisäenergia on nolla . Alkaen (4,85) ja (4,82)

löydämme energian kaasufaasin hiukkasta kohti kondensaatioalueella:

. (4.86)

Kohdasta (4.85) löydämme lämpökapasiteetin kondensaatiokynnyksen alapuolella:

. (4.87)

Harkitaan (4.80)

,

arvosta (4.87) saadaan lämpökapasiteetti kondensaatiolämpötilassa

. (4.87a)

Ilmaista energiaa. Alkaen (4,85)

ja Gibbs–Helmholtz-yhtälöstä (2.29) löydämme

. (4.88)

Entropia ja paine ilmaistuna vapaana energiana

Kun otetaan huomioon (4.88) kondensaatioalueella, saadaan

, (4.89)

, (4,90a)

Lauseke (4.90b) on ei-relativistisen ideaalikvanttikaasun tilayhtälö , ja se sopii yhteen klassisen ideaalikaasun tilayhtälön kanssa. Vertaamalla (4,89) ja (4,82)

,

löydämme sen entropia on verrannollinen kaasufaasihiukkasten lukumäärään . Siten, kondensoidun faasin entropia on nolla . Paine (4.90a) määräytyy lämpötilan perusteella, eikä se riipu tilavuudesta. Kondensoituneiden hiukkasten liikemäärä on nolla, eivätkä ne aiheuta painetta. Se määräytyy kaasufaasihiukkasten pitoisuuden perusteella (4.82a)

,

. (4.91)

Kondensoinnin toteutus. Kahden hiukkasen törmäykset varmistavat kaasun termodynaamisen tasapainon. Kolmen kappaleen törmäykset johtavat nestemäisten ja kiinteiden tilojen muodostumiseen. Suhteellisen suurilla kaasutiheyksillä kolmen hiukkasen törmäykset ovat merkittäviä. Atomien välinen vuorovaikutus muodostaa nestemäisen tai kiteisen tilan matalissa lämpötiloissa. Pienellä kaasutiheydellä kolmen hiukkasen törmäysten todennäköisyys on paljon pienempi kuin kahden hiukkasen törmäykset. Tämän seurauksena kaasumainen metastabiili tila, jolla on riittävän pitkä käyttöikä, on mahdollista matalissa lämpötiloissa. Ensimmäiset kondensaatit saatiin rubidium-, natrium- ja vetyatomeista kaasufaasin lämpötilassa ~10-2 K, paineen alaisena P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Kaasun pito tyhjennetyssä lasikennossa alle 1 mm:n kokoisella alueella, magneettinen ansa . Kelajärjestelmä luo epätasaisen magneettikentän, jonka keskellä on absoluuttinen minimi. Atomin magneettinen momentti pm magneettikentässä B saa energiaa (- pm×B). Loukun keskellä olevassa pisteessä 2 kenttä on mitättömän pieni; pisteessä 1, pois keskustasta, kenttä B vahva. Termodynaamisessa tasapainossa sähkökemialliset potentiaalit ovat samat kaikissa kohdissa

.

magneettinen ansa

2 He 4 -atomin perustilassa elektronien spinit on suunnattu vastakkaisiin suuntiin, niiden magneettiset momentit kompensoituvat, eikä atomilla ole omaa magneettimomenttiaan. Kun ulkoinen magneettikenttä kytketään päälle atomissa, syntyy elektronien pyöreä virta sähkömagneettisen induktion ilmiön vuoksi. Lenzin säännön mukaan indusoitunut magneettinen momentti on suunnattu ulkoista kenttää vastaan, tämä antaa

,

Kemiallinen potentiaali kasvaa hiukkaspitoisuuden kasvaessa, niin saamme

Atomit, joiden magneettinen momentti on suunnattu kenttää vastaan, työnnetään ulos vahvasta heikkoon magneettikenttään -" Diamagneettiset atomit etsivät heikkoa kenttää ". Tämän seurauksena atomit kerätään ja pidetään ansan keskellä. Retentioalue näyttää sikarilta, jonka halkaisija on ~(10…50) µm ja pituus ~300 µm. Atomit poistetaan ansasta lyhyellä suurtaajuisen säteilyn pulssilla, joka kallistaa atomien magneettisia momentteja. Kenttää vastaan ​​ja sitä pitkin suuntautuvilla momenteilla syntyy tilojen superpositio, josta jälkimmäinen tila työntyy ulos ansasta.

Bosen kondensaatin säilyttämiseksi on kehitetty myös mikropiirejä, jotka luovat tarvittavan magneettikentän konfiguraation ~0,1 mm etäisyydelle pinnastaan ​​ja kuluttavat ~1 W tehoa. Tällaisilla etäisyyksillä siru luo epätasaisemman magneettikentän kuin kela, mikä tarjoaa paremman kaasun eristämisen. Siru on pienikokoinen, huoneenlämpöinen, sen lämpösäteily imeytyy heikosti kaasuun. Lastuvirtoja muuttamalla voidaan siirtää loukun keskustaa ja siirtää Bose-kondensaattia lastun pintaa pitkin.

Kaasujäähdytys suoritettu laser menetelmä Doppler-ilmiön perusteella. Jos satunnaisesti liikkuvat atomit ohjataan lasersäteilylle taajuudella 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, havaitsee taajuuden

ja kohdassa n¢ = n 0 se absorboi fotonin. Tämän seurauksena atomi saa impulssin nopeuttaan vastaan ​​ja hidastuu. Virittynyt atomi säteilee energiaa keskimäärin isotrooppisesti. Säteily spektrin lähi-infrapuna-alueella, joka syntyy puolijohdelasereilla ja on suunnattu kaasuun kuudesta keskenään kohtisuorasta sivusta, johtaa sen jäähtymiseen.

Myös käytetty haihtuva jäähdytys poistumalla ansa-atomien kehältä suurimmalla nopeudella käyttämällä suurtaajuista magneettikenttää. Se kallistaa magneettisia momentteja, luo kentän suuntaisen komponentin, jonka ansa heittää ulos. Suuremman nopeuden omaavat hiukkaset saavuttavat kaasurajan nopeammin ja niiden pitoisuus rajalla on suurempi kuin hiukkasten, joiden nopeus on pieni. Siksi korkeaenergisten hiukkasten haihtumisen todennäköisyys on suurempi. Keloihin perustuvassa loukussa jäähtyminen tapahtuu noin 10–7 K:n kaasufaasilämpötilaan 10 s - 10 minuutin aikana. Hakkeen osalta kondensoitumisen vaatima lämpötila saavutetaan alle 1 sekunnissa. Kondensaattiatomien pitoisuus on ~1014 cm–3 ja lämpöenergia vastaa alle 10–11 K lämpötilaa.

Jokaisen seitsemännen luokkalaisen tuntemien kolmen aineen aggregaattitilan (kiinteä, nestemäinen ja kaasu) lisäksi on muitakin aggregoituja tiloja. Yksi niistä on Bose-kondensaatti - aineen tila, joka saavutetaan lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa. Tässä tilassa aineella alkaa olla erilaisia ​​mielenkiintoisia ominaisuuksia, esimerkiksi ryhmä hiukkasia käyttäytyy kuin yksi hiukkanen. Albert Einstein ennusti sellaisen tilan mahdollisuuden vuonna 1925. Vuonna 1995 amerikkalaiset fyysikot Eric Cornell ja Karl Wiemann perustivat kokeen, jonka aikana he saivat Bose-Einstein-kondensaatin (tästä löydöstä he saivat Nobel-palkinnon vuonna 2001 yhdessä saksalaisen Wolfgang Ketterlen kanssa).

Kokeessaan tutkijat käyttivät metalliatomeja (rubidium). Mutta ajatus luoda Bose-Einstein-kondensaatti muista hiukkasista, erityisesti fotoneista, jotta järjestelmä käyttäytyisi kuin yksi "superfotoni", joutui perustavanlaatuiseen ongelmaan. Tosiasia on, että fotonit, vaikka niillä on hiukkasten ominaisuuksia, absorboituivat ympäröiviin materiaaleihin jäähtyessään, mikä paljastaa niiden aaltoluonteen.

Bonnin yliopiston fyysikot Martin Weitzin johdolla onnistuivat ratkaisemaan tämän ongelman.

Lisäksi he loivat Bose-Eishntein-kondensaatin huoneenlämpötilassa.

Esimerkiksi yhdessä tämän työn kuvauksista on sellainen ilmaus kuin "pieni tunne". Zoran Hadjibabich Cambridgen yliopistosta sanoi New Scientist että saksalaisten tiedemiesten työ, joka julkaistu Naturessa"sulkee ympyrän, jonka Bose ja Einstein teoriassa alkoivat piirtää 85 vuotta sitten."

Volker Lannert, Bonnin yliopisto

Saksalaisten fyysikkojen kokeellisen järjestelyn yksinkertaisuus ansaitsee myös ihailua. Kokeessaan he käyttivät kahta erittäin heijastavaa koveraa peiliä, jotka olivat 1 mikronin (10-6 metrin) etäisyydellä toisistaan. Peilit asetettiin "väriaineeseen" - punaiseen nestemäiseen orgaaniseen väliaineeseen. Kokeilijat pulssivat vihreitä lasersäteitä tähän ympäristöön. Peileistä toistuvasti heijastuva valo kulki "väriaineen" läpi. Tässä tapauksessa ”väriaine”-molekyylit absorboivat laserfotoneja ja lähettivät ne uudelleen matalammalla energialla näkyvän värin keltaisella alueella. Toisin sanoen tiedemiehet ovat saavuttaneet ansassa fotonien tasapainoenergiatilan huoneenlämpötilassa.

"Tämän prosessin aikana fotonit jäähtyivät huoneenlämpötilaan "hävittämättä", Martin Weitz selitti.

Lisäämällä fotonien määrää asennuksessa (tätä varten oli tarpeen tehdä laserista kirkkaampi) tiedemiehet saavuttivat tiheyden noin biljoonaa fotonia kuutiosenttimetriä kohden. Tällaisella tiheydellä ilmaantui fotoneja, jotka eivät voineet osallistua energiatasapainoon. Nämä ylimääräiset fotonit siirtyivät samanaikaisesti Bose-Einstein-kondensaatin tilaan tiivistyen yhdeksi suureksi "superfotoniksi". "Kaikki fotonit alkoivat mennä varpaisiin", Weitz kommentoi tätä ilmiötä.

Verrattuna Bose-Einstein-kondensaatin muodostumiseen jäähdytetyistä rubidiumatomeista, nykyinen koe vaikuttaa naurettavan yksinkertaiselta. sanoi Nature News Matthias Weidemüller Freibergin yliopistosta. Hän uskoo, että saksalaisten tutkijoiden ehdottama valon kondensaatiomenetelmä voi olla erityisen tehokas auringonvalon keräämiseen ja kohdistamiseen aurinkopaneeleihin pilvisellä säällä, kun suoraa valaistusta ei voida kerätä.

Lisäksi tämä järjestelmä voi mahdollistaa uusien lyhytaaltoisten lasersäteilyn lähteiden, erityisesti röntgensäteiden, luomisen.

Weitz itse uskoo, että hänen ja hänen kollegoidensa työ voi auttaa edelleen pienentämään elektronisten laitteiden, erityisesti tietokoneiden mikrosirujen, kokoa. Tämä puolestaan ​​voi mahdollistaa uuden sukupolven tietokoneiden luomisen, joiden suorituskyky on parempi kuin nykyiset.

No, Wolfgang Ketterle, yksi Nobel-palkinnon saajista Bose-Einstein-kondensaatin hankkimisesta rubidiumatomeista, totesi: "Kun pidän luentoja, kerron opiskelijoille, miksi Bose-Einstein-kondensaattia ei voida saada fotoneilla, osoittaakseni perustavanlaatuinen ero fotonien ja atomien välillä. Mutta nyt tämä ero on kadonnut."

Yleensä hiukkaset voidaan jakaa fermioneihin ja bosoneihin (puolikokonaislukujen ja kokonaislukujen spineillä). Kun bosonit jäähdytetään lähellä absoluuttista nollaa, ne voivat tiivistyä Bose-Einstein-kondensaattina tunnetuksi kollektiiviseksi olomuodoksi, kun melko suuri määrä atomeja on identtisessä kvanttitilassa, mikä mahdollistaa erilaisten epätavallisten ilmiöiden havaitsemisen. , kuten sama suprajohtavuus.

Ensimmäinen koe kondensaatin saamiseksi, jossa käsiteltiin rubidiumatomeja, jäähtyi melkein absoluuttiseen nollaan. Vasemmalla - tiedot atomien nopeuden jakautumisesta ennen kondensaatin ilmestymistä, keskellä - heti sen jälkeen, oikealla - jonkin ajan kuluttua. (Kuva R. Zhang.)

Kondensaatin teoreettisesta postulaatiosta vuonna 1925 sen ensimmäiseen löytöyn laboratoriossa on kulunut 60 vuotta, mutta se on vielä hyvin kaukana kaikkien tähän ilmiöön liittyvien huippujen valloittamisesta. Erityisesti kondensaatti saatiin rubidiumatomien perusteella kaasumaisessa tilassa, vaikka olisi paljon parempi käsitellä fotoneja. Puhtaasti teoreettisen merkityksen lisäksi tällaiselle tulokselle voisi löytyä käyttöä - epätavallisten ominaisuuksien lasereissa tai jopa uudentyyppisissä aurinkoakuissa.

Mutta voivatko fotonit "tiivistyä"? Kevyillä hiukkasilla ei ole massaa, mikä näyttää olevan keskeinen vaatimus Bose-Einstein-kondensaatin saamiseksi. Tämän vaikeuden voittamiseksi fyysikot ovat yrittäneet rajata valon optiseen onteloon kahden yhdensuuntaisen heijastavan levyn väliin, mikä saisi fotonit käyttäytymään kuin niillä olisi massaa. Jotta valo ei "vuota" tällaisesta ansasta, sen seinät tulee tehdä hieman kaareviksi.

Vuonna 2010 kokeellisesti osoitettiin, että tällaisen ansan luominen on melko todellista, mutta tällaisten kokeiden tulosten tulkinnassa jäi vakavia ongelmia. Niiden varmuuden vuoksi oli täytettävä useita erityisvaatimuksia. Ensinnäkin koko järjestelmän on oltava kaksiulotteinen, ehdottoman tasainen, mikä on erittäin vaikea toteuttaa kolmiulotteisessa maailmassa. Toiseksi meidän on varmistettava, että fotonien välinen väliaine (ja tämä ei ole ilma) ei vaikuta niiden "kondensoitumiseen" jäähtymisen aikana.