Pada hari Kamis, 24 November, di salah satu jurnal ilmiah paling bergengsi - Alam- sebuah artikel muncul oleh para ilmuwan yang untuk pertama kalinya berhasil memperoleh kondensat Bose-Einstein berdasarkan foton. Kemungkinan besar, bagi sebagian besar pembaca, kalimat sebelumnya tidak mengatakan apa-apa - dan tidak mengherankan. Kondensat Bose-Einstein adalah bentuk materi yang sangat spesifik tetapi sangat menarik, kadang-kadang disebut sebagai keadaan kelima, yang disamakan dengan padat, cair, gas, dan plasma. Ketika suatu zat dalam keadaan ini, efek kuantum mulai muncul di dalamnya pada tingkat makro - sebenarnya, kondensat Bose-Einstein adalah partikel kuantum besar (sangat besar).

Teori

Bose-Einstein Condensate (BEC) berdasarkan foton adalah versi BEC yang sangat "maju", dan untuk waktu yang sangat lama diyakini tidak dapat diperoleh secara prinsip. Tetapi sebelum membicarakannya, ada baiknya menjelaskan apa itu kondensat Bose-Einstein. India dapat dianggap sebagai tempat kelahiran konsep ini - di sanalah sebagian besar waktu seseorang hidup dan bekerja, untuk pertama kalinya menunjukkan kemungkinan adanya keadaan materi yang sebelumnya tidak diketahui. Nama pria ini adalah Shatyendranath Bose, dan dia adalah salah satu bapak pendiri mekanika kuantum.

Untuk merayakan manfaat ilmiah Bose, salah satu jenis partikel elementer, boson, dinamai menurut namanya. Boson termasuk, misalnya, foton - pembawa elektromagnetisme, dan gluon, yang membawa interaksi kuat dan menentukan daya tarik quark satu sama lain. Higgs boson yang terkenal, untuk pencarian yang menciptakan Large Hadron Collider, juga termasuk dalam kategori partikel elementer ini.

Kepemilikan partikel pada boson ditentukan oleh putarannya - momentum sudut intrinsik partikel elementer (kadang-kadang konsep putaran didefinisikan sebagai rotasi partikel di sekitar porosnya sendiri, tetapi representasi seperti itu terlalu menyederhanakan situasi). Putaran boson selalu bilangan bulat - yaitu, dinyatakan sebagai bilangan bulat. Variasi lain dari partikel elementer - fermion - memiliki putaran setengah bilangan bulat.

Fermion (kiri) berbaris sesuai dengan energi tingkat kuantum, sedangkan boson (kanan) dapat terakumulasi pada tingkat dengan energi terendah. Gambar Buletin PersT edisi 23, 2003

Boson dan fermion berbeda satu sama lain tidak hanya dalam nilai putaran - partikel-partikel ini berbeda dalam sejumlah sifat dasar. Secara khusus, boson mungkin tidak mematuhi apa yang disebut prinsip atau larangan Pauli, yang mendalilkan bahwa dua partikel elementer tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama. Keadaan kuantum berbeda satu sama lain dalam energi, dan pada suhu rendah, fermion (yang secara ketat mematuhi pengecualian Pauli) mengisi keadaan berurutan secara bergantian. Keadaan dengan energi terendah (yang paling "tanpa tekanan" untuk partikel) ditempati terlebih dahulu, dan keadaan dengan energi tertinggi adalah yang terakhir. Yang paling jelas, sifat fermion untuk berbaris dalam garis menurut keadaan kuantum ini terlihat pada suhu rendah, ketika perilaku sistem tidak ditutupi oleh fluktuasi suhu.

Boson pada suhu rendah berperilaku berbeda - mereka tidak dibatasi oleh pengecualian Pauli dan karena itu cenderung menempati tempat yang paling nyaman, yaitu tingkat kuantum dengan energi terendah, jika memungkinkan. Akibatnya, ketika boson mendingin, hal berikut terjadi: mereka mulai bergerak sangat lambat - dengan kecepatan beberapa milimeter per detik, sangat erat "menekan" satu sama lain, "melompat" ke keadaan kuantum yang sama, dan akhirnya mulai berperilaku terkoordinasi - cara satu partikel kuantum raksasa akan berperilaku.

Tentang transformasi inilah, yang seharusnya terjadi dengan boson pada suhu mendekati nol mutlak, yang ditulis Shatyendranath Bose kepada Albert Einstein pada awal 1920-an. Bose akan mengirim perhitungannya ke majalah Zeitschrift bulu Physik, tetapi Einstein sangat terinspirasi oleh ide rekan Indianya sehingga dia segera menerjemahkan artikelnya dari bahasa Inggris ke bahasa Jerman dan mengirimkannya ke editor. Pencipta teori relativitas umum dan khusus mengembangkan pertimbangan Bose (orang Hindu hanya menganggap foton, dan Einstein melengkapi teori Bose untuk partikel dengan massa) dan mempresentasikan kesimpulannya dalam dua artikel lagi, yang juga diterbitkan di Zeitschrift bulu Physik.

Praktik

Jadi, teori BBE, pada umumnya, dikembangkan pada sepertiga pertama abad ke-20, tetapi para ilmuwan berhasil memperoleh materi dalam keadaan ini hanya setelah 70 tahun. Alasan penundaan itu sederhana - agar boson mulai berperilaku sebagai sistem kuantum tunggal, mereka perlu didinginkan ke suhu yang berbeda dari nol mutlak (minus 273,15 derajat Celcius) beberapa sepersejuta derajat. Untuk waktu yang lama, fisikawan tidak bisa mencapai suhu serendah itu. Kesulitan kedua adalah bahwa banyak zat, ketika mendekati nol mutlak, mulai berperilaku seperti cairan, dan untuk mendapatkan BEC, perlu bahwa mereka tetap "gas" (kata "gas" dalam tanda kutip, karena pada suhu yang sangat rendah partikel suatu zat kehilangan mobilitasnya - salah satu tanda dasar gas).

Pada pertengahan 1990-an, ditunjukkan bahwa logam alkali natrium dan rubidium mempertahankan sifat "benar" mereka pada pendinginan, yang berarti bahwa mereka secara teoritis dapat masuk ke keadaan BEC (baik isotop rubidium-87 dan satu-satunya isotop natrium-23 memiliki spin atom bilangan bulat dan disebut boson komposit). Untuk menurunkan suhu atom rubidium ke suhu ultra-rendah yang diperlukan, peneliti Eric A. Cornell dan Carl Wieman dari JILA - institut bersama Institut Standar dan Teknologi Nasional AS (NIST) dan Universitas Colorado di Boulder - menggunakan pendinginan laser bersama dengan pendinginan evaporatif.

Dengan bantuan laser, atom didinginkan sebagai berikut: sebuah atom menyerap foton yang bergerak ke arahnya dan kemudian memancarkan radiasi. Dalam hal ini, perlambatan bertahap atom terjadi, dan suhu agregat atom, masing-masing, menurun. Namun, pendinginan laser saja tidak cukup untuk mencapai suhu di mana transisi ke keadaan BEC dimungkinkan. Anda dapat "menghilangkan" pecahan ekstra derajat jika Anda menghilangkan atom tercepat dari campuran (secangkir teh yang tersisa di atas meja didinginkan sesuai dengan prinsip yang sama).

Menurut prinsip dualisme gelombang kuantum, objek dunia mikro dapat berperilaku baik sebagai partikel maupun sebagai gelombang. Agar suatu zat masuk ke keadaan BEC, atom-atomnya harus saling mendekati dengan jarak yang sebanding dengan panjang gelombangnya. Kemudian gelombang mulai berinteraksi, dan perilaku partikel individu menjadi terkoordinasi.

Pada tahun 1995, para ilmuwan dari JILA berhasil mendinginkan sekitar 2 ribu atom rubidium-87 ke suhu 20 nanokelvin (satu nanokelvin adalah 1x10 -9 kelvin), dan sebagai hasilnya mereka masuk ke keadaan KBE. Kondensat disimpan di ruang percobaan dengan menggunakan perangkap magnet dari desain khusus. Empat bulan setelah kelompok Cornell dan Wieman mempublikasikan hasil mereka, sebuah artikel muncul oleh fisikawan Wolfgang Ketterle dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), yang berhasil memperoleh BEC berdasarkan atom natrium. Ketterle menggunakan prinsip yang sedikit berbeda untuk menahan atom dalam perangkap magnet, dan dia berhasil mentransfer lebih banyak atom ke "keadaan materi kelima" daripada rekan-rekannya dari JILA. Pada tahun 2001, ketiga ilmuwan dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika.

Sejak tahun 1995, banyak kelompok fisikawan yang terlibat dalam memperoleh dan mempelajari BEC, yang telah mempelajari pusaran yang muncul di dalamnya, interferensi gelombang antar kondensat, dan banyak lagi. Pada tahun 2009, para ilmuwan untuk pertama kalinya dalam keadaan atom kalsium ini - pola gelombang yang muncul untuk elemen ini terlihat lebih jelas daripada logam alkali. Pada tahun 2003, kelompok Ketterle mampu membuat analog laser dari BEC dan bahkan mendapatkan BEC dari fermion. Akhirnya, pada tahun 2010 untuk pertama kalinya - untuk waktu yang lama, banyak fisikawan yakin bahwa ini pada dasarnya tidak mungkin.

Secara khusus, para ahli percaya bahwa kuanta cahaya akan diserap oleh dinding ruang eksperimen dan "melarikan diri" dari para peneliti. Untuk menangkap, mendinginkan, dan menahan cukup banyak foton untuk memperoleh dan mempelajari BEC, para ilmuwan dari Universitas Bonn menggunakan dua cermin lengkung, yang jaraknya sekitar 1,5 mikrometer - ini sebanding dengan panjang gelombang foton dalam keadaan kuantum dengan energi minimal.

Metode pendinginan laser untuk foton tidak dapat diterapkan - mereka berinteraksi terlalu lemah satu sama lain, sehingga para peneliti mendinginkannya dengan pewarna khusus yang menyerap dan memancarkan kuanta cahaya. Foton bertabrakan dengan molekulnya dan secara bertahap suhunya selaras dengan suhu zat warna. Tidak seperti atom, untuk mendapatkan BEC berbasis foton, mereka tidak perlu didinginkan hingga nol kelvin - transisi sudah terjadi pada suhu kamar. Para peneliti sendiri "memompa" foton ke dalam celah menggunakan laser. Transisi ke keadaan BEC terjadi ketika jumlah foton mendekati 60.000.

Pembaca mungkin bertanya-tanya mengapa para ilmuwan repot-repot dengan KBE yang tidak dapat dipahami ini. Artinya, minat murni fisikawan untuk "merasa" dan melihat langsung manifestasi hukum mekanika kuantum dapat dimengerti, tetapi apakah "keadaan kelima" memiliki aplikasi praktis yang berguna? Seperti dalam kasus penemuan fisik lainnya, pertanyaan seperti itu terlalu dini - tidak mungkin para ilmuwan yang mempelajari sifat peluruhan radioaktif atau elektron dapat memprediksi seberapa besar konsekuensi dari pekerjaan mereka.

Pertama, cepat atau lambat, para insinyur datang dengan perangkat baru di mana objek yang dipelajari digunakan secara langsung dan yang tidak dapat ditemukan sebelum fisikawan menggambarkan sifat-sifat objek ini. Dan kedua, studi tentang fenomena baru memperluas gagasan orang tentang fisika dan memungkinkan di masa depan untuk menemukan dan menjelaskan fenomena lain yang sebelumnya tidak diketahui yang akan menjadi dasar perangkat dan teknologi baru, dan seterusnya.

Saat ini, salah satu aplikasi praktis BEC yang paling jelas dianggap sebagai pembuatan detektor ultra-presisi berdasarkan itu, misalnya, detektor medan magnet atau gravitasi. Prediksi yang lebih rinci dapat dibuat karena sifat-sifat BEC dipelajari lebih lanjut, yang bergerak sangat, sangat cepat.

KONDENSASI BOSE-EINSTEIN(Kondensasi Bose) - fenomena kuantum yang terdiri dari fakta bahwa dalam sistem sejumlah besar partikel yang mematuhi Bose - statistik Einstein(Gas Bose atau cairan Bose), pada temp-pax di bawah degenerasi suhu di negara dengan nol namepulse ada fraksi terbatas dari semua partikel dari sistem. Istilah "B-E. to." didasarkan pada analogi fenomena ini dengan kondensasi gas menjadi cairan, meskipun fenomena ini sama sekali berbeda, karena selama B.-E. itu terjadi dalam ruang momentum, dan distribusi partikel dalam koordinat ruang tidak berubah. Teori B.-E. dikonstruksi oleh A. Einstein (A. Einstein) pada tahun 1925 dan dikembangkan oleh F. London (F. London) pada tahun 1938.

Karena BEC terjadi bahkan dalam gas Bose yang ideal, itu disebabkan oleh sifat-sifat fungsi gelombang partikel, dan bukan oleh interaksi di antara mereka. Untuk gas Bose ideal dari Distribusi Bose - Einstein

(di mana T- perut temp-pa, e R- energi partikel dengan momentum - kimia. potensial) maka dalam energi terendah. negara dengan adalah partikel. Ini mengikuti dari positif bahwa Jika faktor degenerasi mendekati 1, maka bisa ada banyak partikel dalam keadaan c. Oleh karena itu, kontribusi partikel c tidak dapat diabaikan dalam perhitungan cp. kuantitas. Dari kondisi keteguhan jumlah partikel dalam volume V mengikuti ur-tion untuk:

adalah panjang gelombang de Broglie yang sesuai dengan gerakan termal, t adalah massa partikel. Dari sini T0- Laju pengembunan Bose, atau laju degenerasi, ditemukan dari kondisi , yang ditulis dalam jejak. membentuk: .

Pada T=0 semua partikel berada di kondensat, sedangkan di kondensat hanya N 0 partikel, dan sisanya mematuhi . Ketika tekanan ternyata hanya fungsi suhu dan tidak bergantung pada volume, karena partikel kondensat, yang tidak memiliki momentum, tidak berkontribusi terhadap tekanan. Pada , turunan kapasitas panas mengalami lompatan berhingga, sedangkan kapasitas panas itu sendiri, energi dan tekanan tetap kontinu, oleh karena itu sistem mengalami semacam transisi fasa.

dimana sebuah adalah panjang hamburan untuk potensial interaksi. Jika densitasnya tidak kecil, maka jumlah partikel dalam kondensat dapat diperkirakan dengan metode variasi. Untuk cairan Bose dengan interaksi molekul sebagai bola keras dengan diameter b

Untuk cm, maka cm3 adalah 0,08. Menurut perkiraan berdasarkan hamburan neutron, kepadatan kondensat di beberapa % dan memiliki ketergantungan suhu yang kira-kira sama dengan densitas komponen superfluida. Namun, densitas partikel kondensat dan densitas komponen superfluida tidak dapat ditentukan, karena pada T=0 Semua cairan adalah superfluida, meskipun tidak semua partikelnya berada dalam kondensat.

Dalam gas atom boson, beberapa atom benar-benar kehilangan energi kinetik dan momentum pada suhu yang cukup rendah tetapi terbatas. Atom seperti itu disebut kondensat bose dari lat. kondenso - "menebal". Fungsi gelombang dari atom kondensat saling berfase-cocok. Atas dasar ini, dikembangkan laser atom memancarkan atom dengan fungsi gelombang koheren.

Fenomena hilangnya total energi kinetik untuk bagian dari gas bosonik ideal pada suhu rendah secara teoritis ditemukan oleh A. Einstein pada tahun 1925. Proses ini disebut Kondensasi Bose partikel dalam ruang momentum . Itu dipelajari secara rinci oleh Fritz dan Heinz London pada tahun 1938. Kondensasi Bose adalah konsekuensi dari fakta bahwa potensi kimia gas bosonik tidak bisa positif. Pada suhu normal, potensial kimia gas adalah negatif. Saat suhu menurun, potensi kimia meningkat, dan pada suhu yang cukup rendah mencapai nilai setinggi mungkin. Penurunan suhu lebih lanjut menyebabkan penurunan jumlah partikel dalam fase gas, dan beberapa atom jatuh ke dalam kondensat.

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

pendiri teori superkonduktivitas dan kimia kuantum

Itu tidak mungkin untuk mendapatkan kondensasi secara eksperimental selama lebih dari 50 tahun, karena pada suhu rendah interaksi antar atom menarik atom satu sama lain, cluster terbentuk dan kemudian keadaan cair atau padat sebelum permulaan kondensasi Bose. Sebuah cluster terjadi ketika tiga atau lebih partikel bertabrakan, yang lebih mungkin terjadi pada konsentrasi tinggi. Pada konsentrasi partikel yang rendah, tumbukan pasangan mendominasi, yang memastikan pembentukan kesetimbangan termal. Untuk mencegah terbentuknya cluster, perlu dilakukan pengurangan konsentrasi gas. Kondensat Bose metastabil dalam gas yang dimurnikan dari atom rubidium, natrium, litium pertama kali diperoleh oleh W. Ketterle, K. Wieman dan E. Cornell pada tahun 1995. Atom hidrogen dikondensasi pada tahun 1997. Kondensat Bose menunjukkan sifat unik: suhu, kecepatan cahaya , kecepatan suara .

Wolfgang Ketterle, Carl Wieman, Eric Cornell

atom boson. Spin atom adalah jumlah spin elektron kulit dan nukleon inti, spin mereka sama dengan 1/2. Jumlah elektron sama dengan jumlah proton, sehingga total spin mereka dalam atom netral listrik adalah bilangan bulat. Putaran atom ditentukan oleh jumlah neutron. Boson adalah atom dengan jumlah neutron genap. , misalnya: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , di mana angka bawah adalah nomor urut unsur dalam tabel periodik, atau jumlah proton dalam inti, digit atas adalah nomor massa, atau jumlah proton dan neutron dalam inti. Sebuah atom dengan perbedaan angka genap adalah boson. Pada suhu yang sangat rendah, atom berada dalam keadaan dasar, sehingga dua yang pertama memiliki putaran nol, sedangkan tiga yang terakhir memiliki putaran satu. Jumlah status putaran

Jumlah baryon nukleon adalah kekal, sehingga jumlah atom dalam sistem yang terisolasi tidak berubah.

Distribusi energi boson. Kami menggunakan distribusi Bose–Einstein (4.10) untuk jumlah rata-rata partikel dalam satu keadaan

,

dan kerapatan keadaan gas tiga dimensi (3.8)

, .

Kami mendapatkan jumlah partikel dalam interval energi dalam gas dengan volume V

. (4.77)

Jumlah total partikel temukan dari (4.77)

. (4.78)

Potensi kimia ditentukan dari (4,78). Ketika suhu berubah, jumlah partikel tetap sama, maka dari T tidak tergantung

,

dimana diperhitungkan. Oleh karena itu, ketika suhu menurun, |m| menurun, dan potensial kimia meningkat dari nilai negatif ke nol. Jika adalah suhu di mana potensi kimia hilang:

lalu kapan

. (4.79)

Ketika suhu turun di bawah, pertumbuhan tidak mungkin, dan (4,78) terpenuhi karena penurunan jumlah partikel gas .

Ambang kondensasi adalah batas atas kisaran suhu di mana potensial kimia adalah nol. Dari (4.78) kita peroleh

,

di mana N adalah jumlah partikel gas pada suhu normal. Menggunakan

untuk , kami menemukan integral

,

kita mendapatkan

. (4.80)

Suhu ambang kondensasi meningkat dengan meningkatnya konsentrasi atom dan dengan penurunan massa atom .

Massa atom dinyatakan dalam massa molar

konsentrasi atom dinyatakan dalam volume molar

.

Dari (4.80) dalam sistem satuan CGS, kita peroleh

[KE]. (4.81)

Untuk 2 He 4 dengan parameter:

, , ,

Kami mendapatkan panjang gelombang de Broglie di . Untuk atom dengan energi rata-rata

dan momentum

gunakan (4.80) dan dapatkan

,

.

Mengingat dimana d adalah jarak rata-rata antara atom, kami menemukan

.

Dengan penurunan suhu, panjang gelombang de Broglie atom meningkat dan, ketika ambang kondensasi tercapai, itu dibandingkan dengan jarak antar atom. Fungsi gelombang partikel tumpang tindih, berinterferensi, dan kondensat Bose menunjukkan sifat kuantum.

Jumlah partikel terkondensasi. Dalam kisaran suhu, potensi kimia adalah nol. Pada suhu di bawah T 0 persamaan (4,78)

, ,

dilakukan dengan mengurangi jumlah partikel dalam fase gas dari N ke arus N 1 (T). Sama halnya dengan (4.80), kita peroleh

, .

Hasilnya dibagi dengan (4,80)

,

dan temukan jumlah dan konsentrasi partikel yang tersisa di dalam fase gas:

, (4.82)

. (4.82a)

Jumlah partikel terkondensasi

. (4.83)

Jumlah relatif partikel terkondensasi ditunjukkan pada gambar.

Energi internal dan kapasitas panas. Menggunakan (4.77)

,

mendapatkan energi dalam

, (4.84)

Di daerah kondensasi kita temukan

, (4.85)

.

Energi internal ditentukan oleh kontribusi fase gas saja, energi internal fase terkondensasi adalah nol . Dari (4.85) dan (4.82)

kami menemukan energi per partikel fase gas di wilayah kondensasi:

. (4.86)

Dari (4.85) kami menemukan kapasitas panas di bawah ambang kondensasi:

. (4.87)

Menimbang (4.80)

,

dari (4.87) kami memperoleh kapasitas panas pada suhu kondensasi

. (4.87a)

Energi bebas. Dari (4.85)

dan dari persamaan Gibbs–Helmholtz (2.29) kita temukan

. (4.88)

Entropi dan tekanan dinyatakan dalam energi bebas

Dengan mempertimbangkan (4,88) di daerah kondensasi, kita peroleh

, (4.89)

, (4.90a)

Ekspresi (4.90b) adalah persamaan keadaan gas kuantum ideal nonrelativistik , dan bertepatan dengan persamaan keadaan gas ideal klasik. Membandingkan (4,89) dan (4,82)

,

kami menemukan itu entropi sebanding dengan jumlah partikel fase gas . Karena itu, entropi fase terkondensasi adalah nol . Tekanan (4,90a) ditentukan oleh suhu dan tidak bergantung pada volume. Partikel terkondensasi memiliki momentum nol dan tidak menciptakan tekanan. Ini ditentukan oleh konsentrasi partikel fase gas (4,82a)

,

. (4.91)

Pelaksanaan kondensasi. Tumbukan dua partikel memastikan kesetimbangan termodinamika gas. Tumbukan tiga benda menyebabkan pembentukan wujud cair dan padat. Pada densitas gas yang relatif tinggi, tumbukan tiga partikel cukup signifikan. Interaksi interatomik membentuk keadaan cair atau kristal pada suhu rendah. Pada kerapatan gas yang rendah, kemungkinan tumbukan tiga partikel jauh lebih kecil daripada tumbukan dua partikel. Akibatnya, keadaan metastabil gas dengan masa pakai yang cukup lama dimungkinkan pada suhu rendah. Kondensat pertama diperoleh dari atom rubidium, natrium, hidrogen pada suhu fase gas ~10–2 K, di bawah tekanan P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

tahan gas dalam sel kaca yang dievakuasi di area berukuran kurang dari 1 mm, perangkap magnet . Sistem koil menciptakan medan magnet yang tidak seragam dengan minimum absolut di tengah. Momen magnet atom pm dalam medan magnet B menerima energi (- pm×B). Untuk titik 2 di tengah perangkap, bidangnya sangat kecil; untuk titik 1, jauh dari pusat, bidang B kuat. Pada kesetimbangan termodinamika, potensial elektrokimia sama di semua titik

.

perangkap magnet

Dalam keadaan dasar atom 2 He 4, putaran elektron diarahkan ke arah yang berlawanan, momen magnetiknya dikompensasi, dan atom tidak memiliki momen magnetiknya sendiri. Ketika medan magnet eksternal dihidupkan dalam sebuah atom, arus elektron melingkar muncul karena fenomena induksi elektromagnetik. Menurut aturan Lenz, momen magnet induksi diarahkan melawan medan eksternal, ini memberikan

,

Potensi kimia meningkat dengan meningkatnya konsentrasi partikel, maka kita dapatkan

Atom dengan momen magnet yang diarahkan melawan medan didorong keluar dari medan magnet yang kuat ke medan magnet yang lemah - " atom diamagnetik mencari medan lemah ". Akibatnya, atom dikumpulkan dan ditahan di tengah perangkap. Area retensi terlihat seperti cerutu dengan diameter ~(10…50) m dan panjang ~300 m. Atom dikeluarkan dari perangkap dengan pulsa pendek radiasi frekuensi tinggi, yang memiringkan momen magnetik atom. Superposisi keadaan muncul dengan momen-momen yang diarahkan melawan dan sepanjang medan, keadaan terakhir didorong keluar oleh jebakan.

Untuk menjaga kondensat Bose, sirkuit mikro juga telah dikembangkan yang menciptakan konfigurasi medan magnet yang diperlukan pada jarak ~0,1 mm dari permukaannya dan mengkonsumsi daya ~1 W. Pada jarak seperti itu, chip menciptakan medan magnet yang lebih tidak seragam daripada koil, memberikan penahanan gas yang lebih baik. Chip itu mini, memiliki suhu kamar, radiasi termalnya diserap dengan lemah oleh gas. Dengan mengubah arus chip, seseorang dapat memindahkan pusat jebakan dan memindahkan kondensat Bose di sepanjang permukaan chip.

Pendinginan gas dilakukan metode laser berdasarkan efek Doppler. Jika atom yang bergerak secara acak diarahkan ke radiasi laser dengan frekuensi 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, merasakan frekuensi

dan pada n¢ = n 0 ia menyerap foton. Akibatnya, atom menerima impuls melawan kecepatannya dan diperlambat. Sebuah atom tereksitasi memancarkan energi secara isotropis rata-rata. Radiasi di wilayah spektrum inframerah dekat, yang diciptakan oleh laser semikonduktor dan diarahkan ke gas dari enam sisi yang saling tegak lurus, menyebabkan pendinginannya.

Juga digunakan pendinginan evaporatif dengan mendepak dari pinggiran atom perangkap dengan kecepatan tertinggi menggunakan medan magnet frekuensi tinggi. Ini memiringkan momen magnetik, menciptakan komponen ke arah medan, yang dikeluarkan oleh perangkap. Partikel dengan kecepatan lebih tinggi mencapai batas gas lebih cepat dan konsentrasinya di batas lebih tinggi daripada konsentrasi partikel dengan kecepatan rendah. Oleh karena itu, kemungkinan penguapan partikel berenergi tinggi lebih tinggi. Untuk perangkap yang didasarkan pada kumparan, pendinginan terjadi pada suhu fase gas sekitar 10–7 K dalam waktu dari 10 detik hingga 10 menit. Untuk chip, suhu yang diperlukan untuk kondensasi tercapai dalam waktu kurang dari 1 detik. Konsentrasi atom kondensat adalah ~1014 cm–3, dan energi panas sesuai dengan suhu di bawah 10–11 K.

Selain tiga keadaan agregat materi yang diketahui setiap siswa kelas tujuh (padat, cair dan gas), ada keadaan agregat lainnya. Salah satunya adalah kondensat Bose - keadaan materi yang dicapai pada suhu mendekati nol mutlak. Dalam keadaan ini, materi mulai menunjukkan berbagai sifat menarik, misalnya sekelompok partikel berperilaku seperti partikel tunggal. Kemungkinan keadaan seperti itu diprediksi pada tahun 1925 oleh Albert Einstein. Pada tahun 1995, fisikawan Amerika Eric Cornell dan Karl Wiemann mengadakan percobaan di mana mereka memperoleh kondensat Bose-Einstein (untuk penemuan ini, mereka menerima Hadiah Nobel pada tahun 2001 bersama dengan Wolfgang Ketterle dari Jerman).

Dalam percobaan mereka, para ilmuwan menggunakan atom logam (rubidium). Tetapi gagasan untuk membuat kondensat Bose-Einstein dari partikel lain, khususnya foton, sehingga sistem berperilaku seperti "superfoton" tunggal, mengalami masalah mendasar. Faktanya adalah bahwa foton, meskipun memiliki sifat partikel, diserap oleh bahan di sekitarnya selama pendinginan, sehingga mengungkapkan sifat gelombangnya.

Fisikawan dari Universitas Bonn yang dipimpin oleh Martin Weitz berhasil memecahkan masalah ini.

Selain itu, mereka menciptakan kondensat Bose-Eishntein pada suhu kamar.

Dalam salah satu deskripsi karya ini, misalnya, ada ungkapan seperti "sedikit sensasi". Zoran Hadjibabich dari Universitas Cambridge kata Ilmuwan Baru bahwa karya ilmuwan Jerman, yang diterbitkan di Nature, "menutup lingkaran yang secara teoritis mulai digambar oleh Bose dan Einstein 85 tahun yang lalu."

Volker Lannert, Universitas Bonn

Kesederhanaan pengaturan eksperimental fisikawan Jerman juga patut dikagumi. Dalam percobaan mereka, mereka menggunakan dua cermin cekung yang sangat reflektif dengan jarak 1 mikron (10 -6 meter). Cermin ditempatkan dalam "pewarna" - media organik cair merah. Eksperimen mengirimkan sinar laser hijau ke lingkungan ini. Cahaya, berulang kali dipantulkan dari cermin, melewati "pewarna". Dalam hal ini, molekul "pewarna" menyerap foton laser dan memancarkannya kembali dengan energi yang lebih rendah, di daerah kuning dari warna yang terlihat. Artinya, para ilmuwan telah mencapai dalam perangkap mereka keadaan energi kesetimbangan foton pada suhu kamar.

"Selama proses ini, foton mendingin ke suhu kamar tanpa "hilang," jelas Martin Weitz.

Dengan meningkatkan jumlah foton dalam instalasi (untuk ini perlu membuat laser lebih terang), para ilmuwan mencapai kepadatan sekitar satu triliun foton per sentimeter kubik. Pada kepadatan seperti itu, foton muncul yang tidak dapat berpartisipasi dalam keseimbangan energi. Foton berlebih ini secara bersamaan diteruskan ke keadaan kondensat Bose-Einstein, terkondensasi menjadi satu "superfoton" besar. “Semua foton mulai dari ujung ke ujung,” komentar Weitz tentang fenomena ini.

Dibandingkan dengan pembentukan kondensat Bose-Einstein dari atom rubidium yang didinginkan, eksperimen saat ini tampaknya sangat sederhana.” kata Nature News Matthias Weidemüller dari Universitas Freiberg. Dia percaya bahwa metode kondensasi cahaya yang diusulkan oleh para ilmuwan Jerman dapat sangat efektif untuk mengumpulkan dan memfokuskan sinar matahari di panel surya dalam cuaca mendung, ketika tidak ada cara untuk mengumpulkan penerangan langsung.

Selain itu, skema ini memungkinkan untuk menciptakan sumber baru radiasi laser panjang gelombang pendek, khususnya sinar-X.

Weitz sendiri percaya bahwa karya dia dan rekan-rekannya dapat membantu mengurangi ukuran perangkat elektronik, khususnya microchip komputer. Ini, pada gilirannya, memungkinkan penciptaan komputer generasi baru, dengan kinerja yang lebih baik daripada yang sekarang.

Nah, Wolfgang Ketterle, salah satu pemenang Hadiah Nobel untuk mendapatkan kondensat Bose-Einstein dari atom rubidium, menyatakan: “Ketika saya memberikan kuliah, saya memberi tahu siswa mengapa kondensat Bose-Einstein tidak dapat diperoleh dengan menggunakan foton, untuk menunjukkan perbedaan mendasar antara foton dan atom. Tapi sekarang perbedaan itu telah hilang.”

Secara umum, partikel dapat dibagi menjadi fermion dan boson (dengan putaran setengah bilangan bulat dan bilangan bulat). Ketika Anda mendinginkan boson hingga suhu mendekati nol mutlak, mereka dapat mengembun menjadi keadaan kolektif materi yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein, ketika sejumlah besar atom berada dalam keadaan kuantum yang identik, yang memungkinkan Anda untuk mengamati berbagai fenomena yang tidak biasa. , seperti superkonduktivitas yang sama.

Percobaan pertama dalam memperoleh kondensat berurusan dengan atom rubidium didinginkan hampir nol mutlak. Di sebelah kiri - data tentang distribusi kecepatan atom sebelum munculnya kondensat, di tengah - segera setelah itu, di sebelah kanan - setelah beberapa waktu. (Ilustrasi R. Zhang.)

Dari postulat teoretis kondensat pada tahun 1925 hingga penemuan pertamanya di laboratorium, 60 tahun telah berlalu, tetapi masih sangat jauh untuk menaklukkan semua puncak yang terkait dengan fenomena ini. Secara khusus, kondensat diperoleh berdasarkan atom rubidium dalam keadaan gas, meskipun akan jauh lebih baik untuk menangani foton. Selain signifikansi teoretis murni, hasil seperti itu juga dapat diterapkan - dalam laser dengan sifat yang tidak biasa atau bahkan baterai surya jenis baru.

Tapi bisakah foton "mengembun"? Partikel cahaya tidak memiliki massa, yang tampaknya menjadi persyaratan utama untuk mendapatkan kondensat Bose-Einstein. Untuk mengatasi kesulitan ini, fisikawan telah mencoba untuk membatasi cahaya dalam rongga optik antara dua pelat reflektif paralel, yang akan membuat foton berperilaku seolah-olah mereka memiliki massa. Untuk mencegah cahaya "bocor" dari perangkap semacam itu, dindingnya harus dibuat sedikit melengkung.

Pada tahun 2010, secara eksperimental ditunjukkan bahwa pembuatan jebakan semacam itu cukup nyata, tetapi masalah serius tetap ada dengan interpretasi hasil percobaan tersebut. Untuk memastikannya, perlu memenuhi beberapa persyaratan khusus. Pertama, seluruh sistem harus dua dimensi, benar-benar datar, yang sangat sulit diterapkan di dunia tiga dimensi. Kedua, Anda perlu memastikan bahwa media antara foton (dan ini bukan udara) tidak mempengaruhi "kondensasi" mereka selama pendinginan.