Na quinta-feira, 24 de novembro, em uma das mais prestigiadas revistas científicas - Natureza- um artigo publicado por cientistas que pela primeira vez conseguiram obter um condensado de Bose-Einstein baseado em fótons. Muito provavelmente, para a maioria dos leitores, a frase anterior não disse nada - e não surpreendentemente. Um condensado de Bose-Einstein é uma forma de matéria muito específica, mas incrivelmente interessante, às vezes referida como seu quinto estado, equivalendo a sólido, líquido, gasoso e plasma. Quando uma substância está nesse estado, os efeitos quânticos começam a aparecer nela no nível macro - na verdade, o condensado de Bose-Einstein é uma partícula quântica grande (muito grande).

Teoria

O Condensado de Bose-Einstein (BEC) baseado em fótons é uma versão muito "avançada" do BEC, e por muito tempo acreditou-se que não poderia ser obtido em princípio. Mas antes de falar sobre isso, vale explicar o que é um condensado de Bose-Einstein. A Índia pode ser considerada o berço desse conceito - foi lá que a maior parte do tempo uma pessoa viveu e trabalhou, indicando pela primeira vez a possibilidade da existência de um estado da matéria anteriormente desconhecido. O nome desse homem era Shatyendranath Bose, e ele foi um dos fundadores da mecânica quântica.

Para celebrar os méritos científicos de Bose, um dos tipos de partículas elementares, os bósons, recebeu seu nome. Os bósons incluem, por exemplo, fótons - portadores de eletromagnetismo e glúons, que carregam a interação forte e determinam a atração dos quarks entre si. O famoso bóson de Higgs, para a busca pela qual foi criado o Grande Colisor de Hádrons, também pertence a essa categoria de partículas elementares.

A pertença de uma partícula aos bósons é determinada pelo seu spin - o momento angular intrínseco das partículas elementares (às vezes o conceito de spin é definido como a rotação de uma partícula em torno de seu próprio eixo, mas tal representação simplifica demais a situação). O spin de um bóson é sempre inteiro - ou seja, é expresso como um inteiro. Outra variedade de partículas elementares - férmions - tem um spin meio inteiro.

Os férmions (à esquerda) se alinham de acordo com as energias dos níveis quânticos, enquanto os bósons (à direita) podem se acumular no nível de menor energia. Imagem da edição 23 do Boletim PersT, 2003

Bósons e férmions diferem um do outro não apenas no valor do spin - essas partículas são diferentes em várias propriedades fundamentais. Em particular, os bósons podem não obedecer ao chamado princípio de Pauli, ou proibição, que postula que duas partículas elementares não podem estar no mesmo estado quântico. Os estados quânticos diferem em energia uns dos outros e, em baixas temperaturas, os férmions (que obedecem estritamente à exclusão de Pauli) preenchem estados sucessivos sucessivamente. Os estados com a energia mais baixa (os mais "não estressados" para as partículas) são ocupados primeiro, e os estados com a energia mais alta são os últimos. Mais claramente, essa propriedade dos férmions de se alinhar em uma linha de acordo com estados quânticos é perceptível em baixas temperaturas, quando o comportamento do sistema não é mascarado por flutuações de temperatura.

Os bósons em baixas temperaturas se comportam de maneira diferente - eles não são limitados pela exclusão de Pauli e, portanto, tendem a ocupar os lugares mais convenientes, ou seja, níveis quânticos com a menor energia, se possível. Como resultado, quando os bósons esfriam, acontece o seguinte: eles começam a se mover muito lentamente - com velocidades da ordem de vários milímetros por segundo, "pressionam" muito próximos um do outro, "saltam" para o mesmo estado quântico e eventualmente começam a se comportar de maneira coordenada - da mesma forma que uma partícula quântica gigante se comportaria.

Foi sobre essa transformação, que deveria ocorrer com bósons em temperaturas próximas ao zero absoluto, que Shatyendranath Bose escreveu a Albert Einstein no início da década de 1920. Bose ia enviar seus cálculos para uma revista Zeitschrift pele Physik, mas Einstein ficou tão inspirado pelas ideias de seu colega indiano que imediatamente traduziu seu artigo do inglês para o alemão e o enviou ao editor. O criador das teorias da relatividade geral e especial desenvolveu as considerações de Bose (os hindus consideravam apenas fótons, e Einstein complementou a teoria de Bose para partículas com massa) e apresentou suas conclusões em mais dois artigos, que também foram publicados em Zeitschrift pele Physik.

Prática

Assim, a teoria BBE foi, em geral, desenvolvida no primeiro terço do século 20, mas os cientistas conseguiram obter matéria neste estado somente após 70 anos. A razão para o atraso é simples - para que os bósons comecem a se comportar como um único sistema quântico, eles precisam ser resfriados a uma temperatura que difere do zero absoluto (menos 273,15 graus Celsius) em vários milionésimos de grau. Por muito tempo, os físicos simplesmente não conseguiram atingir temperaturas tão baixas. A segunda dificuldade foi que muitas substâncias, ao se aproximarem do zero absoluto, passam a se comportar como líquidos, e para obter BEC é necessário que permaneçam "gases" (a palavra "gás" está entre aspas, pois em temperaturas ultrabaixas as partículas de uma substância perdem sua mobilidade - um dos sinais fundamentais do gás).

Em meados da década de 1990, foi demonstrado que os metais alcalinos sódio e rubídio mantêm suas propriedades “corretas” após o resfriamento, o que significa que eles podem teoricamente entrar no estado BEC (tanto o isótopo rubídio-87 quanto o único isótopo sódio-23 têm spins atômicos inteiros e são os chamados bósons compostos). A fim de diminuir a temperatura dos átomos de rubídio para as temperaturas ultra-baixas necessárias, os pesquisadores Eric A. Cornell e Carl Wieman do JILA - um instituto conjunto do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e da Universidade do Colorado em Boulder - usado resfriamento a laser em conjunto com resfriamento evaporativo.

Com a ajuda de lasers, os átomos são resfriados da seguinte forma: um átomo absorve fótons que se movem em sua direção e então emite radiação. Nesse caso, ocorre uma desaceleração gradual do átomo e a temperatura do agregado de átomos, respectivamente, diminui. No entanto, o resfriamento a laser por si só não é suficiente para atingir temperaturas nas quais uma transição para o estado BEC é possível. Você pode "remover" frações extras de um grau se remover os átomos mais rápidos da mistura (uma xícara de chá deixada na mesa é resfriada de acordo com o mesmo princípio).

De acordo com o princípio do dualismo de ondas quânticas, os objetos do micromundo podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Para que uma substância passe para o estado BEC, seus átomos devem se aproximar por uma distância comparável ao seu comprimento de onda. Então as ondas começam a interagir e o comportamento das partículas individuais torna-se coordenado.

Em 1995, os cientistas do JILA conseguiram resfriar cerca de 2 mil átomos de rubídio-87 a uma temperatura de 20 nanokelvins (um nanokelvin é 1x10 -9 kelvin) e, como resultado, passaram para o estado KBE. O condensado foi mantido na câmara experimental por meio de uma armadilha magnética de desenho especial. Quatro meses depois que o grupo de Cornell e Wieman publicou seus resultados, apareceu um artigo do físico Wolfgang Ketterle, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), que conseguiu obter um BEC baseado em átomos de sódio. Ketterle usou um princípio ligeiramente diferente de manter átomos em uma armadilha magnética e conseguiu transferir muito mais átomos para o "quinto estado da matéria" do que seus colegas do JILA. Em 2001, todos os três cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física.

Desde 1995, muitos grupos de físicos têm se empenhado em obter e estudar o BEC, que estudaram os vórtices que surgem nele, a interferência de ondas entre condensados ​​e muito mais. Em 2009, os cientistas pela primeira vez neste estado de átomos de cálcio - o padrão de onda emergente para este elemento é visivelmente mais claro do que para metais alcalinos. Em 2003, o grupo Ketterle conseguiu criar um análogo de um laser a partir de um BEC e até obter um BEC de férmions. Finalmente, em 2010 foi pela primeira vez - por muito tempo, muitos físicos tinham certeza de que isso era fundamentalmente impossível.

Em particular, os especialistas acreditavam que os quanta de luz seriam absorvidos pelas paredes da câmara experimental e “escaparão” dos experimentadores. Para capturar, resfriar e reter fótons suficientes para obter e estudar BEC, cientistas da Universidade de Bonn usaram dois espelhos curvos, cuja distância era de cerca de 1,5 micrômetro - isso é comparável ao comprimento de onda dos fótons em estado quântico com um energia mínima.

O método de resfriamento a laser para fótons não é aplicável - eles interagem muito fracamente uns com os outros, então os pesquisadores os resfriaram com um corante especial que absorvia e emitia quanta de luz. Os fótons colidiram com suas moléculas e gradualmente sua temperatura foi alinhada com a temperatura do corante. Ao contrário dos átomos, para obter BECs baseados em fótons, eles não precisam ser resfriados a zero kelvin - a transição ocorre já à temperatura ambiente. Os próprios pesquisadores "bombearam" os fótons na fenda usando um laser. A transição para o estado BEC ocorreu quando o número de fótons se aproximou de 60.000.

Os leitores podem se perguntar por que os cientistas se preocupam com esse KBE incompreensível. Ou seja, o interesse puramente fundamental dos físicos de "sentir" e ver diretamente a manifestação das leis da mecânica quântica é compreensível, mas o "quinto estado" tem alguma aplicação prática útil? Como no caso de outras descobertas físicas, essa pergunta é prematura - é improvável que os cientistas que estudaram as propriedades do decaimento radioativo ou dos elétrons pudessem prever quão em larga escala seriam as consequências de seu trabalho.

Primeiro, mais cedo ou mais tarde, os engenheiros criam novos dispositivos nos quais os objetos estudados são usados ​​diretamente e que não poderiam ser inventados antes que os físicos descrevessem as propriedades desses objetos. E em segundo lugar, o estudo de novos fenômenos expande as ideias das pessoas sobre física e permite no futuro descobrir e explicar outros fenômenos anteriormente desconhecidos que formarão a base de novos dispositivos e tecnologias, e assim por diante.

Atualmente, uma das aplicações práticas mais óbvias do BEC é considerada a criação de detectores ultraprecisos baseados nele, por exemplo, detectores de campos magnéticos ou gravitacionais. Previsões mais detalhadas podem ser feitas à medida que as propriedades do BEC são mais estudadas, que está se movendo muito, muito rapidamente.

CONDENSAÇÃO BOSE-EINSTEIN(condensação de Bose) - um fenômeno quântico que consiste no fato de que em um sistema de um grande número de partículas obedecendo Bose - Estatísticas de Einstein(gás Bose ou líquido Bose), em temp-pax abaixo degeneração da temperatura no estado com zero namepulse existe uma fração finita de todas as partículas do sistema. O termo "B-E. para." baseia-se na analogia desse fenômeno com a condensação de um gás em um líquido, embora esses fenômenos sejam completamente diferentes, pois durante B. - E. a. ocorre no espaço de momentos, e a distribuição de partículas na coordenada espaço não muda. A teoria de B.-E. para. construída por A. Einstein (A. Einstein) em 1925 e desenvolvida por F. London (F. London) em 1938.

Como o BEC ocorre mesmo em um gás de Bose ideal, é causado pelas propriedades da função de onda das partículas, e não pelas interações entre elas. Para um gás de Bose ideal de Distribuição Bose - Einstein

(Onde T- abdômen. temp-pa, e R- energia de uma partícula com momento - chem. potencial) segue que no energético mais baixo. estado com é partículas. Segue-se da positividade que se o fator de degeneração é próximo de 1, então pode haver muitas partículas no estado c. Portanto, a contribuição das partículas c não pode ser desprezada no cálculo de cp. quantidades. Da condição de constância do número total de partículas no volume V segue ur-tion para:

é o comprimento de onda de Broglie correspondente ao movimento térmico, té a massa da partícula. Daqui T0- a taxa de condensação de Bose, ou a taxa de degeneração, é encontrada a partir da condição , que está escrita no traço. Formato: .

No T=0 todas as partículas estão no condensado, enquanto no condensado é apenas N 0 partículas, e o resto obedece a . Quando a pressão passa a ser uma função apenas da temperatura e não depende do volume, uma vez que as partículas condensadas, não tendo momento, não contribuem para a pressão. Em , a derivada da capacidade calorífica sofre um salto finito, enquanto a própria capacidade calorífica, energia e pressão permanecem contínuas, portanto o sistema sofre uma espécie de transição de fase.

onde umaé o comprimento de espalhamento para o potencial de interação. Se a densidade não for pequena, então o número de partículas no condensado pode ser estimado pelo método variacional. Para um líquido de Bose com a interação de moléculas como esferas duras de diâmetro b

Para cm, cm3 é, portanto, 0,08. De acordo com estimativas baseadas em espalhamento de nêutrons, a densidade do condensado em vários % e tem aproximadamente a mesma dependência de temperatura que a densidade do componente superfluido. No entanto, a densidade das partículas condensadas e a densidade do componente superfluido não podem ser identificadas, porque em T=0 Todo líquido é superfluido, embora nem todas as suas partículas estejam condensadas.

Em um gás de átomos de bóson, alguns dos átomos perdem completamente sua energia cinética e momento em uma temperatura suficientemente baixa, mas finita. Esses átomos são chamados bose condensado de lat. condensado - "engrossar". As funções de onda dos átomos condensados ​​são mutuamente compatíveis com as fases. Com base nisso, desenvolveu lasers atômicos emissão de átomos com funções de onda coerentes.

O fenômeno da perda total de energia cinética para uma parte de um gás bosônico ideal a baixa temperatura foi teoricamente descoberto por A. Einstein em 1925. O processo é chamado de Condensação de Bose de partículas no espaço de momento . Foi estudado em detalhes por Fritz e Heinz London em 1938. A condensação de Bose é uma consequência do fato de que o potencial químico de um gás bosônico não pode ser positivo. À temperatura normal, o potencial químico de um gás é negativo. À medida que a temperatura diminui, o potencial químico aumenta e, a uma temperatura suficientemente baixa, atinge o valor mais alto possível. Uma diminuição adicional na temperatura causa uma diminuição no número de partículas na fase gasosa, e alguns dos átomos caem no condensado.

Heinz Londres (1907–1970) e Fritz Londres (1900–1954) –

fundador da teoria da supercondutividade e da química quântica

Não foi possível obter a condensação experimentalmente por mais de 50 anos, pois em baixas temperaturas a interação interatômica atrai átomos entre si, formam-se aglomerados e então um estado líquido ou sólido antes do início da condensação de Bose. Um aglomerado ocorre quando três ou mais partículas colidem, o que é mais provável em alta concentração. Em baixa concentração de partículas predominam as colisões de pares, que garantem o estabelecimento do equilíbrio térmico. Para evitar a formação de aglomerados, é necessário reduzir a concentração de gás. O condensado de Bose metaestável em gases rarefeitos de rubídio, sódio, átomos de lítio foi obtido pela primeira vez por W. Ketterle, K. Wieman e E. Cornell em 1995. Os átomos de hidrogênio foram condensados ​​em 1997. O condensado de Bose exibe propriedades únicas: temperatura, velocidade da luz , velocidade do som.

Wolfgang Ketterle, Carl Wiemann, Eric Cornell

átomos de bóson. O spin de um átomo é a soma dos spins dos elétrons da camada e dos nucleons do núcleo, seus spins são iguais a 1/2. O número de elétrons é igual ao número de prótons, então seu spin total em um átomo eletricamente neutro é inteiro. O spin de um átomo é determinado pelo número de nêutrons. Os bósons são átomos com um número par de nêutrons. , por exemplo: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , onde o dígito inferior é o número de série do elemento na tabela periódica, ou o número de prótons no núcleo, o dígito superior é o número de massa, ou o número de prótons e nêutrons no núcleo. Um átomo com uma diferença uniforme de dígitos é um bóson. Em temperaturas ultrabaixas, os átomos estão no estado fundamental, então os dois primeiros têm spin zero e os três últimos têm spin um. Número de estados de rotação

O número bariônico de nucleons é conservado, então o número de átomos em um sistema isolado não muda.

Distribuição de energia de bósons. Usamos a distribuição Bose-Einstein (4.10) para o número médio de partículas em um estado

,

e a densidade de estados de um gás tridimensional (3.8)

, .

Obtemos o número de partículas no intervalo de energia em um gás com um volume V

. (4.77)

Número total de partículas encontrar de (4.77)

. (4.78)

Potencial químicoé determinado a partir de (4.78). Quando a temperatura muda, o número de partículas permanece o mesmo, então de T não depende

,

onde levado em consideração. Portanto, à medida que a temperatura diminui, |m| diminui e o potencial químico aumenta de valores negativos para zero. Se é a temperatura na qual o potencial químico desaparece:

então quando

. (4.79)

Quando a temperatura cai abaixo, o crescimento de μ é impossível, e (4.78) é cumprido devido a uma diminuição no número de partículas de gás.

Limite de condensaçãoé o limite superior da faixa de temperatura onde o potencial químico é zero. De (4.78) obtemos

,

Onde Né o número de partículas de gás à temperatura normal. Usando

para , encontramos a integral

,

Nós temos

. (4.80)

A temperatura limite de condensação aumenta com o aumento da concentração atômica e com a diminuição da massa do átomo .

A massa de um átomo é expressa em termos da massa molar

a concentração de átomos é expressa em termos de volume molar

.

De (4.80) no sistema de unidades CGS, obtemos

[PARA]. (4,81)

Para 2 He 4 com parâmetros:

, , ,

Obtemos o comprimento de onda de Broglie em . Para um átomo com energia média

e impulso

use (4.80) e obtenha

,

.

Considerando onde dé a distância média entre os átomos, encontramos

.

Com a diminuição da temperatura, o comprimento de onda de Broglie de um átomo aumenta e, quando o limiar de condensação é atingido, ele é comparado com a distância entre os átomos. As funções de onda das partículas se sobrepõem, interferem e o condensado de Bose exibe propriedades quânticas.

Número de partículas condensadas. Na faixa de temperatura, o potencial químico é zero. Em temperaturas abaixo T 0 equação (4,78)

, ,

realizado reduzindo o número de partículas na fase gasosa desde o N para o atual N 1 (T). Da mesma forma que (4.80), obtemos

, .

O resultado é dividido por (4,80)

,

e encontre o número e a concentração de partículas que permanecem na fase gasosa:

, (4.82)

. (4.82a)

Número de partículas condensadas

. (4.83)

O número relativo de partículas condensadas é mostrado na figura.

Energia interna e capacidade de calor. Usando (4.77)

,

obter energia interna

, (4.84)

Na região de condensação encontramos

, (4.85)

.

A energia interna é determinada apenas pela contribuição da fase gasosa, a energia interna da fase condensada é zero . De (4,85) e (4,82)

encontramos a energia por partícula da fase gasosa na região de condensação:

. (4.86)

De (4.85) encontramos a capacidade calorífica abaixo do limite de condensação:

. (4.87)

Considerando (4,80)

,

de (4.87) obtemos a capacidade calorífica na temperatura de condensação

. (4.87a)

Energia livre. De (4,85)

e da equação de Gibbs-Helmholtz (2.29) encontramos

. (4.88)

Entropia e pressão expressa em termos de energia livre

Levando em conta (4,88) na região de condensação, obtemos

, (4.89)

, (4.90a)

A expressão (4.90b) é equação de estado de um gás quântico ideal não relativístico , e coincide com a equação de estado de um gás ideal clássico. Comparando (4,89) e (4,82)

,

nós achamos isso a entropia é proporcional ao número de partículas da fase gasosa . Consequentemente, a entropia da fase condensada é zero . A pressão (4.90a) é determinada pela temperatura e não depende do volume. As partículas condensadas têm momento zero e não criam pressão. É determinado pela concentração de partículas da fase gasosa (4.82a)

,

. (4.91)

Implementação de condensação. As colisões de duas partículas garantem o equilíbrio termodinâmico do gás. As colisões de três corpos levam à formação dos estados líquido e sólido. Em densidades de gás relativamente altas, as colisões de três partículas são significativas. A interação interatômica forma um estado líquido ou cristalino em baixas temperaturas. Em uma densidade de gás baixa, a probabilidade de colisões de três partículas é muito menor do que colisões de duas partículas. Como resultado, um estado metaestável gasoso com uma vida útil suficientemente longa é possível em baixas temperaturas. Os primeiros condensados ​​foram obtidos a partir de átomos de rubídio, sódio, hidrogênio a uma temperatura de fase gasosa de ~10-2 K, sob pressão P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Retenção de gás em uma célula de vidro evacuada em uma área inferior a 1 mm de tamanho, armadilha magnética . O sistema de bobina cria um campo magnético não uniforme com um mínimo absoluto no centro. Momento magnético de um átomo pm em um campo magnético B recebe energia (- pm×B). Para o ponto 2 no centro da armadilha, o campo é insignificantemente pequeno; para o ponto 1, longe do centro, o campo B Forte. No equilíbrio termodinâmico, os potenciais eletroquímicos são os mesmos em todos os pontos.

.

armadilha magnética

No estado fundamental do átomo 2 He 4, os spins dos elétrons são direcionados em direções opostas, seus momentos magnéticos são compensados ​​e o átomo não possui seu próprio momento magnético. Quando um campo magnético externo é ativado em um átomo, uma corrente circular de elétrons surge devido ao fenômeno da indução eletromagnética. De acordo com a regra de Lenz, o momento magnético induzido é direcionado contra o campo externo, isso dá

,

O potencial químico aumenta com o aumento da concentração de partículas, então temos

Átomos com momentos magnéticos direcionados contra o campo são empurrados de um campo magnético forte para um campo magnético fraco - " átomos diamagnéticos procuram um campo fraco ". Como resultado, os átomos são coletados e mantidos no centro da armadilha. A área de retenção parece um charuto com um diâmetro de ~(10…50) µm e um comprimento de ~300 µm. Os átomos são removidos da armadilha por um pulso curto de radiação de alta frequência, que inclina os momentos magnéticos dos átomos. Uma superposição de estados surge com momentos direcionados contra e ao longo do campo, sendo o último estado empurrado para fora pela armadilha.

Para manter o condensado de Bose, também foram desenvolvidos microcircuitos que criam a configuração necessária do campo magnético a uma distância de ~0,1 mm de sua superfície e consomem energia de ~1 W. A essas distâncias, o chip cria um campo magnético mais não uniforme do que a bobina, proporcionando melhor contenção do gás. O chip é miniatura, tem temperatura ambiente, sua radiação térmica é fracamente absorvida pelo gás. Alterando as correntes do chip, pode-se mover o centro do purgador e mover o condensado de Bose ao longo da superfície do chip.

Refrigeração a gás realizado método a laser baseado no efeito Doppler. Se átomos em movimento aleatório são direcionados à radiação laser com uma frequência 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, percebe a frequência

e em n¢ = n 0 ele absorve um fóton. Como resultado, o átomo recebe um impulso contra sua velocidade e é desacelerado. Um átomo excitado irradia energia isotropicamente em média. A radiação na região do infravermelho próximo do espectro, criada por lasers semicondutores e direcionada ao gás de seis lados mutuamente perpendiculares, leva ao seu resfriamento.

Também usado resfriamento evaporativo ejetando da periferia dos átomos da armadilha com a velocidade mais alta usando um campo magnético de alta frequência. Ele inclina os momentos magnéticos, cria um componente na direção do campo, que é ejetado pela armadilha. Partículas com maior velocidade atingem a fronteira do gás mais rapidamente e sua concentração na fronteira é maior do que a concentração de partículas com baixa velocidade. Portanto, a probabilidade de evaporação de partículas de alta energia é maior. Para um purgador baseado em bobinas, o resfriamento ocorre a uma temperatura da fase gasosa de cerca de 10-7 K em um tempo de 10 s a 10 min. Para o chip, a temperatura necessária para a condensação é atingida em menos de 1 s. A concentração de átomos condensados ​​é de ~1014 cm–3, e a energia térmica corresponde a uma temperatura abaixo de 10–11 K.

Além dos três estados agregados da matéria conhecidos por cada aluno da sétima série (sólido, líquido e gasoso), existem outros estados agregados. Um deles é um condensado de Bose - um estado da matéria que é alcançado em temperaturas próximas ao zero absoluto. Nesse estado, a matéria começa a exibir várias propriedades interessantes, por exemplo, um grupo de partículas se comporta como uma única partícula. A possibilidade de tal estado foi prevista em 1925 por Albert Einstein. Em 1995, os físicos americanos Eric Cornell e Karl Wiemann montaram um experimento durante o qual obtiveram um condensado de Bose-Einstein (por essa descoberta, receberam o Prêmio Nobel em 2001 junto com o alemão Wolfgang Ketterle).

Em seu experimento, os cientistas usaram átomos de metal (rubídio). Mas a ideia de criar um condensado de Bose-Einstein a partir de outras partículas, em particular fótons, para que o sistema se comportasse como um único “superfóton”, esbarrou em um problema fundamental. O fato é que os fótons, embora tenham propriedades de partículas, foram absorvidos pelos materiais circundantes durante o resfriamento, revelando assim sua natureza ondulatória.

Físicos da Universidade de Bonn, liderados por Martin Weitz, conseguiram resolver esse problema.

Além disso, eles criaram um condensado de Bose-Eishntein à temperatura ambiente.

Em uma das descrições deste trabalho, por exemplo, há uma frase como "uma pequena sensação". Zoran Hadjibabich da Universidade de Cambridge disse o novo cientista que o trabalho dos cientistas alemães, que publicado na Natureza, "fecha o círculo que Bose e Einstein teoricamente começaram a desenhar há 85 anos."

Volker Lannert, Universidade de Bonn

A simplicidade da configuração experimental dos físicos alemães também merece admiração. Em seu experimento, eles usaram dois espelhos côncavos altamente refletivos espaçados de 1 mícron (10 -6 metros) de distância. Os espelhos foram colocados em um "corante" - um meio orgânico líquido vermelho. Os experimentadores pulsaram feixes de laser verde neste ambiente. A luz, repetidamente refletida nos espelhos, passava pelo "corante". Nesse caso, as moléculas “tintas” absorveram fótons de laser e os reemitiram com menor energia, na região amarela da cor visível. Ou seja, os cientistas alcançaram em sua armadilha o estado de energia de equilíbrio dos fótons à temperatura ambiente.

“Durante esse processo, os fótons esfriaram até a temperatura ambiente sem serem “perdidos”, explicou Martin Weitz.

Ao aumentar o número de fótons na instalação (para isso era necessário tornar o laser mais brilhante), os cientistas alcançaram uma densidade de cerca de um trilhão de fótons por centímetro cúbico. Em tal densidade, apareceram fótons que não poderiam participar do balanço de energia. Esses fótons em excesso passaram simultaneamente para o estado do condensado de Bose-Einstein, condensado em um grande "superfóton". “Todos os fótons começaram a andar de igual para igual”, comentou Weitz sobre esse fenômeno.

Comparado com a formação de um condensado de Bose-Einstein a partir de átomos de rubídio resfriados, o experimento atual parece ridiculamente simples.” disse Nature News Matthias Weidemüller da Universidade de Freiberg. Ele acredita que o método de condensação de luz proposto por cientistas alemães pode ser especialmente eficaz para coletar e focar a luz solar em painéis solares em tempo nublado, quando não há como coletar a luz direta.

Além disso, esse esquema pode possibilitar a criação de novas fontes de radiação laser de comprimento de onda curto, em particular os raios X.

O próprio Weitz acredita que o trabalho dele e de seus colegas pode ajudar a reduzir ainda mais o tamanho dos dispositivos eletrônicos, em particular dos microchips de computador. Isso, por sua vez, poderá permitir a criação de uma nova geração de computadores, com desempenho superior aos atuais.

Bem, Wolfgang Ketterle, um dos ganhadores do Prêmio Nobel por obter um condensado de Bose-Einstein a partir de átomos de rubídio, afirmou: “Quando dou aulas, digo aos alunos por que um condensado de Bose-Einstein não pode ser obtido usando fótons, para mostrar a diferença fundamental entre fótons e átomos. Mas agora essa distinção desapareceu.”

Em geral, as partículas podem ser divididas em férmions e bósons (com spins semi-inteiros e inteiros). Quando você resfria bósons a temperaturas próximas ao zero absoluto, eles podem se condensar em um estado coletivo de matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein, quando um número bastante grande de átomos está em um estado quântico idêntico, o que permite observar vários fenômenos incomuns. , como a mesma supercondutividade.

O primeiro experimento de obtenção de um condensado tratou de átomos de rubídio resfriados quase até o zero absoluto. À esquerda - dados sobre a distribuição da velocidade dos átomos antes do aparecimento do condensado, no centro - imediatamente após, à direita - após algum tempo. (Ilustração R. Zhang.)

Da postulação teórica do condensado em 1925 à sua primeira descoberta em laboratório, 60 anos se passaram, mas ainda está muito longe de conquistar todos os picos associados a esse fenômeno. Em particular, o condensado foi obtido com base em átomos de rubídio em estado gasoso, embora fosse muito melhor lidar com fótons. Além do significado puramente teórico, tal resultado também pode encontrar aplicação - em lasers com propriedades incomuns ou mesmo novos tipos de células solares.

Mas os fótons podem "condensar"? As partículas leves não têm massa, o que parece ser um requisito fundamental para a obtenção de um condensado de Bose-Einstein. Para superar essa dificuldade, os físicos tentaram confinar a luz em uma cavidade óptica entre duas placas refletivas paralelas, o que faria os fótons se comportarem como se tivessem massa. Para evitar que a luz "vaze" de tal armadilha, suas paredes devem ser levemente curvadas.

Em 2010, foi demonstrado experimentalmente que a criação de tal armadilha é bastante real, mas sérios problemas permaneceram com a interpretação dos resultados de tais experimentos. Para ter certeza deles, foi necessário cumprir vários requisitos específicos. Primeiro, todo o sistema deve ser bidimensional, absolutamente plano, o que é muito difícil de implementar em um mundo tridimensional. Em segundo lugar, você precisa ter certeza de que o meio entre os fótons (e isso não é ar) não afeta sua “condensação” durante o resfriamento.