Noong Huwebes, Nobyembre 24, sa isa sa mga pinaka-prestihiyosong siyentipikong journal - Kalikasan- isang artikulo na lumabas ng mga siyentipiko na sa unang pagkakataon ay nakakuha ng Bose-Einstein condensate batay sa mga photon. Malamang, para sa karamihan ng mga mambabasa, ang nakaraang pangungusap ay walang sinabi - at hindi nakakagulat. Ang Bose-Einstein condensate ay isang napaka-espesipiko ngunit hindi kapani-paniwalang kawili-wiling anyo ng bagay, kung minsan ay tinutukoy bilang ikalimang estado nito, na katumbas ng solid, likido, gas, at plasma. Kapag ang isang substance ay nasa ganitong estado, ang mga quantum effect ay nagsisimulang lumitaw dito sa macro level - sa katunayan, ang Bose-Einstein condensate ay isang malaking (napakalaking) quantum particle.

Teorya

Ang Bose-Einstein Condensate (BEC) batay sa mga photon ay isang napaka "advanced" na bersyon ng BEC, at sa loob ng napakahabang panahon ay pinaniniwalaan na hindi ito makukuha sa prinsipyo. Ngunit bago pag-usapan ito, ito ay nagkakahalaga ng pagpapaliwanag kung ano ang isang Bose-Einstein condensate. Ang India ay maaaring ituring na lugar ng kapanganakan ng konsepto na ito - doon na halos lahat ng oras na ang isang tao ay nanirahan at nagtrabaho, sa unang pagkakataon na nagpapahiwatig ng posibilidad ng pagkakaroon ng isang hindi kilalang estado ng bagay. Ang pangalan ng lalaking ito ay Shatyendranath Bose, at isa siya sa mga founding father ng quantum mechanics.

Upang ipagdiwang ang mga siyentipikong merito ng Bose, isa sa mga uri ng elementarya na particle, boson, ay ipinangalan sa kanya. Kasama sa mga boson, halimbawa, ang mga photon - mga carrier ng electromagnetism, at mga gluon, na nagdadala ng malakas na pakikipag-ugnayan at tinutukoy ang pagkahumaling ng mga quark sa isa't isa. Ang sikat na Higgs boson, para sa paghahanap kung saan nilikha ang Large Hadron Collider, ay kabilang din sa kategoryang ito ng mga elementarya na particle.

Ang pag-aari ng isang particle sa boson ay natutukoy sa pamamagitan ng pag-ikot nito - ang intrinsic na angular na momentum ng elementarya na mga particle (kung minsan ang konsepto ng spin ay tinukoy bilang ang pag-ikot ng isang particle sa paligid ng sarili nitong axis, ngunit ang gayong representasyon ay nagpapasimple sa sitwasyon). Ang spin ng isang boson ay palaging integer - iyon ay, ito ay ipinahayag bilang isang integer. Ang isa pang iba't ibang mga elementarya na particle - fermion - ay may kalahating integer spin.

Ang mga fermion (kaliwa) ay pumila ayon sa mga enerhiya ng mga antas ng quantum, habang ang mga boson (kanan) ay maaaring maipon sa antas na may pinakamababang enerhiya. Larawan ng isyu 23 ng PersT Bulletin, 2003

Ang mga boson at fermion ay naiiba sa isa't isa hindi lamang sa halaga ng spin - ang mga particle na ito ay hindi magkatulad sa isang bilang ng mga pangunahing katangian. Sa partikular, ang mga boson ay maaaring hindi sumunod sa tinatawag na Pauli na prinsipyo, o pagbabawal, na nagpopostulate na ang dalawang elementarya na particle ay hindi maaaring nasa parehong quantum state. Ang mga estado ng quantum ay naiiba sa enerhiya mula sa isa't isa, at sa mababang temperatura, ang mga fermion (na mahigpit na sumusunod sa pagbubukod ng Pauli) ay pumupuno sa magkakasunod na estado. Ang mga estado na may pinakamababang enerhiya (ang pinaka "hindi naka-stress" para sa mga particle) ay unang inookupahan, at ang mga estado na may pinakamataas na enerhiya ay ang huli. Pinakamalinaw, ang pag-aari na ito ng mga fermion na pumila sa isang linya ayon sa mga estado ng quantum ay kapansin-pansin sa mababang temperatura, kapag ang pag-uugali ng system ay hindi natatakpan ng mga pagbabago sa temperatura.

Iba ang pag-uugali ng mga boson sa mababang temperatura - hindi sila nalilimitahan ng pagbubukod ng Pauli at samakatuwid ay may posibilidad na sakupin ang mga pinakamaginhawang lugar, iyon ay, mga antas ng quantum na may pinakamababang enerhiya, kung maaari. Bilang isang resulta, kapag ang mga boson ay lumalamig, ang mga sumusunod ay nangyayari: nagsisimula silang gumalaw nang napakabagal - sa bilis ng pagkakasunud-sunod ng ilang milimetro bawat segundo, napakalapit na "pindutin" ang isa't isa, "tumalon" sa parehong estado ng kabuuan, at kalaunan magsimulang kumilos sa isang koordinadong paraan - ang paraan ng pag-uugali ng isang higanteng quantum particle.

Tungkol sa pagbabagong ito, na dapat mangyari sa mga boson sa mga temperaturang malapit sa absolute zero, na sinulat ni Shatyendranath Bose kay Albert Einstein noong unang bahagi ng 1920s. Ipapadala ni Bose ang kanyang mga kalkulasyon sa isang magazine Zeitschrift fur Physik, ngunit si Einstein ay naging inspirasyon ng mga ideya ng kanyang kasamahan sa India na agad niyang isinalin ang kanyang artikulo mula sa Ingles sa Aleman at ipinadala ito sa editor. Ang lumikha ng pangkalahatan at espesyal na mga teorya ng relativity ay bumuo ng mga pagsasaalang-alang ni Bose (ang Hindu ay itinuturing na mga photon lamang, at dinagdagan ni Einstein ang teorya ni Bose para sa mga particle na may masa) at iniharap ang kanyang mga konklusyon sa dalawa pang artikulo, na inilathala din sa Zeitschrift fur Physik.

Magsanay

Kaya, ang teorya ng BBE ay, sa pangkalahatan, ay binuo sa unang ikatlong bahagi ng ika-20 siglo, ngunit ang mga siyentipiko ay nakakuha ng bagay sa estadong ito pagkatapos lamang ng 70 taon. Ang dahilan ng pagkaantala ay simple - upang ang mga boson ay magsimulang kumilos bilang isang solong sistema ng quantum, kailangan nilang palamigin sa isang temperatura na naiiba mula sa absolute zero (minus 273.15 degrees Celsius) ng ilang milyon ng isang degree. Sa loob ng mahabang panahon, ang mga pisiko ay hindi makamit ang gayong mababang temperatura. Ang pangalawang kahirapan ay ang maraming mga sangkap, kapag papalapit sa ganap na zero, ay nagsisimulang kumilos tulad ng mga likido, at upang makakuha ng BEC, kinakailangan na manatiling "mga gas" ang mga ito (ang salitang "gas" ay nasa mga panipi, dahil sa napakababang temperatura. ang mga particle ng isang sangkap ay nawawala ang kanilang kadaliang kumilos - isa sa mga pangunahing palatandaan ng gas).

Noong kalagitnaan ng 1990s, ipinakita na ang mga alkali metal na sodium at rubidium ay nagpapanatili ng kanilang "tama" na mga katangian sa paglamig, na nangangahulugang maaari silang makapasok sa teoretikal na estado ng BEC (parehong rubidium-87 isotope at ang tanging sodium-23 isotope. may integer atomic spins at ang tinatawag na composite boson). Upang mapababa ang temperatura ng mga atomo ng rubidium sa kinakailangang ultra-mababang temperatura, ang mga mananaliksik na sina Eric A. Cornell at Carl Wieman ng JILA - isang pinagsamang instituto ng US National Institute of Standards and Technology (NIST) at ng University of Colorado sa Boulder - ginamit ang laser cooling kasama ng evaporative cooling.

Sa tulong ng mga laser, ang mga atomo ay pinalamig tulad ng sumusunod: ang isang atom ay sumisipsip ng mga photon na lumilipat patungo dito at pagkatapos ay naglalabas ng radiation. Sa kasong ito, ang isang unti-unting pagbabawas ng bilis ng atom ay nangyayari, at ang temperatura ng pinagsama-samang mga atom, ayon sa pagkakabanggit, ay bumababa. Gayunpaman, ang paglamig ng laser lamang ay hindi sapat upang maabot ang mga temperatura kung saan posible ang paglipat sa estado ng BEC. Maaari mong "alisin" ang mga karagdagang fraction ng isang degree kung aalisin mo ang pinakamabilis na mga atomo mula sa pinaghalong (isang tasa ng tsaa na natitira sa mesa ay pinalamig ayon sa parehong prinsipyo).

Ayon sa prinsipyo ng quantum-wave dualism, ang mga bagay ng microworld ay maaaring kumilos bilang mga particle at bilang mga alon. Upang ang isang substansiya ay makapasa sa estado ng BEC, ang mga atomo nito ay dapat lumapit sa isa't isa sa isang distansya na maihahambing sa kanilang haba ng daluyong. Pagkatapos ang mga alon ay nagsimulang makipag-ugnayan, at ang pag-uugali ng mga indibidwal na particle ay nagiging coordinated.

Noong 1995, pinalamig ng mga siyentipiko mula sa JILA ang humigit-kumulang 2 libong atomo ng rubidium-87 sa temperatura na 20 nanokelvins (isang nanokelvin ay 1x10 -9 kelvin), at bilang isang resulta ay pumasa sila sa estado ng KBE. Ang condensate ay itinago sa experimental chamber sa pamamagitan ng magnetic trap ng isang espesyal na disenyo. Apat na buwan pagkatapos mailathala ng grupong Cornell at Wieman ang kanilang mga resulta, lumabas ang isang artikulo ng physicist na si Wolfgang Ketterle ng Massachusetts Institute of Technology (MIT), na nakakuha ng BEC batay sa sodium atoms. Gumamit si Ketterle ng bahagyang naiibang prinsipyo ng paghawak ng mga atomo sa isang magnetic trap, at nagawa niyang ilipat ang marami pang atomo sa "fifth state of matter" kaysa sa kanyang mga kasamahan mula sa JILA. Noong 2001, lahat ng tatlong siyentipiko ay ginawaran ng Nobel Prize sa Physics.

Mula noong 1995, maraming grupo ng mga physicist ang nakikibahagi sa pagkuha at pag-aaral ng BEC, na pinag-aralan ang mga eddies na lumabas dito, ang interference ng mga alon sa pagitan ng mga condensate, at marami pang iba. Noong 2009, ang mga siyentipiko sa unang pagkakataon sa ganitong estado ng mga atomo ng kaltsyum - ang umuusbong na pattern ng alon para sa elementong ito ay kapansin-pansing mas malinaw kaysa sa mga alkali na metal. Noong 2003, ang grupong Ketterle ay nakagawa ng isang analogue ng isang laser mula sa isang BEC at kahit na nakakuha ng isang BEC mula sa mga fermion. Sa wakas, noong 2010 ito ay sa unang pagkakataon - sa loob ng mahabang panahon, maraming mga physicist ang sigurado na ito ay sa panimula imposible.

Sa partikular, naniniwala ang mga eksperto na ang light quanta ay maa-absorb ng mga dingding ng experimental chamber at "makatakas" mula sa mga experimenter. Upang makahuli, magpalamig at humawak ng sapat na mga photon upang makakuha at makapag-aral ng BEC, ang mga siyentipiko mula sa Unibersidad ng Bonn ay gumamit ng dalawang hubog na salamin, ang distansya sa pagitan nito ay humigit-kumulang 1.5 micrometers - ito ay maihahambing sa wavelength ng mga photon sa isang quantum state na may isang pinakamababang enerhiya.

Ang paraan ng laser cooling para sa mga photon ay hindi naaangkop - masyadong mahina ang kanilang interaksyon sa isa't isa, kaya pinalamig sila ng mga mananaliksik ng isang espesyal na tina na sumisipsip at naglalabas ng liwanag na quanta. Ang mga photon ay bumangga sa mga molekula nito at unti-unting naaayon ang temperatura nito sa temperatura ng tina. Hindi tulad ng mga atomo, upang makakuha ng mga BEC na nakabatay sa photon, hindi nila kailangang palamig sa zero kelvins - ang paglipat ay nangyayari na sa temperatura ng silid. Ang mga mananaliksik mismo ay "nagbomba" ng mga photon sa slit gamit ang isang laser. Ang paglipat sa estado ng BEC ay naganap nang ang bilang ng mga photon ay lumalapit sa 60,000.

Maaaring magtaka ang mga mambabasa kung bakit ang mga siyentipiko ay nag-abala sa hindi maintindihang KBE na ito. Iyon ay, ang purong pangunahing interes ng mga physicist na "pakiramdam" at direktang makita ang pagpapakita ng mga batas ng quantum mechanics ay naiintindihan, ngunit mayroon bang anumang kapaki-pakinabang na praktikal na aplikasyon ang "ikalimang estado"? Tulad ng kaso ng iba pang mga pisikal na pagtuklas, ang tanong na ito ay napaaga - hindi malamang na ang mga siyentipiko na nag-aral ng mga katangian ng radioactive decay o mga electron ay maaaring mahulaan kung gaano kalaki ang mga kahihinatnan ng kanilang trabaho.

Una, maaga o huli, ang mga inhinyero ay gumawa ng mga bagong kagamitan kung saan ang mga pinag-aralan na bagay ay direktang ginagamit at hindi maiimbento bago inilarawan ng mga pisiko ang mga katangian ng mga bagay na ito. At pangalawa, ang pag-aaral ng mga bagong phenomena ay nagpapalawak ng mga ideya ng mga tao tungkol sa pisika at nagbibigay-daan sa hinaharap na matuklasan at ipaliwanag ang iba pang hindi kilalang mga phenomena na magiging batayan ng mga bagong aparato at teknolohiya, at iba pa.

Sa ngayon, ang isa sa mga pinaka-halatang praktikal na aplikasyon ng BEC ay itinuturing na ang paglikha ng mga ultra-tumpak na detector batay dito, halimbawa, mga detector ng magnetic o gravitational field. Ang mga mas detalyadong hula ay maaaring gawin habang ang mga katangian ng BEC ay higit pang pinag-aralan, na gumagalaw nang napakabilis.

BOSE-EINSTEIN CONDENSATION(Bose condensation) - isang quantum phenomenon na binubuo sa katotohanan na sa isang sistema ng isang malaking bilang ng mga particle na sumusunod Mga istatistika ng Bose - Einstein(Bose gas o Bose liquid), sa temp-pax sa ibaba pagkabulok ng temperatura sa estado na may zero namepulse mayroong isang finite fraction ng lahat ng particle ng system. Ang katagang "B-E. to." ay batay sa pagkakatulad ng hindi pangkaraniwang bagay na ito sa condensation ng isang gas sa isang likido, bagaman ang mga phenomena na ito ay ganap na naiiba, dahil sa panahon ng B.-E. to. ito ay nangyayari sa espasyo ng momenta, at ang pamamahagi ng mga particle sa coordinate hindi nagbabago ang espasyo. Ang teorya ng B.-E. to. na binuo ni A. Einstein (A. Einstein) noong 1925 at binuo ni F. London (F. London) noong 1938.

Dahil ang BEC ay nangyayari kahit na sa isang perpektong Bose gas, ito ay sanhi ng mga katangian ng wave function ng mga particle, at hindi ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan nila. Para sa perpektong Bose gas mula sa Bose - Pamamahagi ng Einstein

(saan T- abs. temp-pa, e R- enerhiya ng isang particle na may momentum - chem. potensyal) ito ay sumusunod na sa pinakamababang energetic. estado na may mga particle. Ito ay sumusunod mula sa pagiging positibo na Kung ang degeneracy factor ay malapit sa 1, pagkatapos ay maaaring magkaroon ng maraming mga particle sa estado c. Samakatuwid, ang kontribusyon ng mga particle c ay hindi maaaring pabayaan sa pagkalkula ng cp. dami. Mula sa kondisyon ng katatagan ng kabuuang bilang ng mga particle sa dami V sumusunod sa ur-tion para sa:

ay ang wavelength ng de Broglie na naaayon sa thermal motion, t ay ang masa ng butil. Mula rito T0- ang rate ng Bose condensation, o ang rate ng degeneration, ay matatagpuan mula sa kundisyon , na nakasulat sa bakas. anyo: .

Sa T=0 lahat ng mga particle ay nasa condensate, habang nasa condensate ay lamang N 0 particle, at ang iba ay sumusunod sa . Kapag ang presyon ay naging isang function ng temperatura lamang at hindi nakasalalay sa lakas ng tunog, dahil ang mga condensate na particle, na walang momentum, ay hindi nakakatulong sa presyon. Sa , ang heat capacity derivative ay nakakaranas ng isang may hangganang pagtalon, habang ang heat capacity mismo, enerhiya at presyon ay nananatiling tuluy-tuloy, samakatuwid ang system ay sumasailalim sa isang uri ng phase transition.

saan a ay ang haba ng scattering para sa potensyal ng pakikipag-ugnayan. Kung ang density ay hindi maliit, kung gayon ang bilang ng mga particle sa condensate ay maaaring matantya ng variational na pamamaraan. Para sa likidong Bose na may interaksyon ng mga molekula bilang matitigas na sphere ng diameter b

Para sa cm, ang cm 3 ay 0.08. Ayon sa mga pagtatantya batay sa neutron scattering, ang density ng condensate sa ilang % at may humigit-kumulang kaparehong pagdepende sa temperatura gaya ng density ng superfluid component. Gayunpaman, ang density ng condensate particle at ang density ng superfluid component ay hindi matukoy, dahil sa T=0 Ang lahat ng likido ay superfluid, bagaman hindi lahat ng mga particle nito ay nasa condensate.

Sa isang gas ng boson atoms, ang ilan sa mga atomo ay ganap na nawawala ang kanilang kinetic energy at momentum sa isang sapat na mababa ngunit may hangganan na temperatura. Ang mga naturang atom ay tinatawag bose condensate mula sa lat. condenso - "kapalan". Ang mga function ng wave ng condensate atoms ay magkatugma sa phase-match. Sa batayan na ito, binuo mga atomic laser nagpapalabas ng mga atom na may magkakaugnay na pag-andar ng alon.

Ang kababalaghan ng kabuuang pagkawala ng kinetic energy para sa isang bahagi ng isang perpektong bosonic gas sa mababang temperatura ay theoretically natuklasan ni A. Einstein noong 1925. Ang proseso ay tinatawag na Bose condensation ng mga particle sa momentum space . Ito ay pinag-aralan nang detalyado nina Fritz at Heinz London noong 1938. Ang condensation ng Bose ay bunga ng katotohanan na ang potensyal na kemikal ng isang bosonic gas ay hindi maaaring maging positibo. Sa normal na temperatura, negatibo ang potensyal ng kemikal ng isang gas. Habang bumababa ang temperatura, tumataas ang potensyal ng kemikal, at sa sapat na mababang temperatura ay umaabot ito sa pinakamataas na posibleng halaga. Ang karagdagang pagbaba sa temperatura ay nagdudulot ng pagbaba sa bilang ng mga particle sa bahagi ng gas, at ang ilan sa mga atomo ay nahuhulog sa condensate.

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

tagapagtatag ng teorya ng superconductivity at quantum chemistry

Hindi posible na makakuha ng condensation sa eksperimento nang higit sa 50 taon, dahil sa mababang temperatura ang interatomic na pakikipag-ugnayan ay umaakit ng mga atomo sa bawat isa, ang mga kumpol ay nabuo at pagkatapos ay isang likido o solidong estado bago ang simula ng Bose condensation. Ang isang kumpol ay nangyayari kapag tatlo o higit pang mga particle ang nagbanggaan, na mas malamang sa isang mataas na konsentrasyon. Sa mababang konsentrasyon ng mga particle, nangingibabaw ang mga banggaan ng pares, na tinitiyak ang pagtatatag ng thermal equilibrium. Upang maiwasan ang pagbuo ng mga kumpol, kinakailangan upang bawasan ang konsentrasyon ng gas. Metastable Bose condensate sa rarefied gases ng rubidium, sodium, lithium atoms ay unang nakuha ni W. Ketterle, K. Wieman at E. Cornell noong 1995. Ang mga hydrogen atoms ay na-condensed noong 1997. Ang Bose condensate ay nagpapakita ng mga natatanging katangian: temperatura, bilis ng liwanag , bilis ng tunog .

Wolfgang Ketterle, Carl Wiemann, Eric Cornell

mga atomo ng boson. Ang spin ng isang atom ay ang kabuuan ng mga spins ng mga electron ng shell at ang mga nucleon ng nucleus, ang kanilang mga spin ay katumbas ng 1/2. Ang bilang ng mga electron ay katumbas ng bilang ng mga proton, kaya ang kanilang kabuuang pag-ikot sa isang electron neutral na atom ay integer. Ang pag-ikot ng isang atom ay tinutukoy ng bilang ng mga neutron. Ang mga boson ay mga atomo na may pantay na bilang ng mga neutron. , halimbawa: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , kung saan ang lower digit ay ang serial number ng elemento sa periodic table, o ang bilang ng mga proton sa nucleus, ang ang upper digit ay ang mass number, o ang bilang ng mga proton at neutron sa nucleus. Ang isang atom na may pantay na pagkakaiba sa mga numero ay isang boson. Sa ultralow na temperatura, ang mga atom ay nasa ground state, kaya ang unang dalawa ay may zero spin, at ang huling tatlo ay may spin one. Bilang ng mga estado ng pag-ikot

Ang baryon na bilang ng mga nucleon ay pinananatili, kaya ang bilang ng mga atomo sa isang nakahiwalay na sistema ay hindi nagbabago.

Pamamahagi ng enerhiya ng mga boson. Ginagamit namin ang Bose–Einstein distribution (4.10) para sa average na bilang ng mga particle sa isang estado

,

at ang density ng mga estado ng isang three-dimensional na gas (3.8)

, .

Nakukuha namin ang bilang ng mga particle sa pagitan ng enerhiya sa isang gas na may dami V

. (4.77)

Kabuuang bilang ng mga particle hanapin mula sa (4.77)

. (4.78)

Mga potensyal na kemikal ay tinutukoy mula sa (4.78). Kapag nagbago ang temperatura, ang bilang ng mga particle ay nananatiling pareho, pagkatapos ay mula T hindi nakadepende

,

kung saan isinasaalang-alang. Samakatuwid, habang bumababa ang temperatura, |m| bumababa, at ang potensyal ng kemikal ay tumataas mula sa mga negatibong halaga hanggang sa zero. Kung ang temperatura kung saan nawawala ang potensyal ng kemikal:

tapos kailan

. (4.79)

Kapag ang temperatura ay bumaba sa ibaba, ang paglaki ng μ ay imposible, at (4.78) ay natutupad dahil sa pagbaba sa bilang ng mga particle ng gas .

Condensation threshold ay ang pinakamataas na limitasyon ng hanay ng temperatura kung saan ang potensyal ng kemikal ay zero. Mula sa (4.78) nakukuha natin

,

saan N ay ang bilang ng mga particle ng gas sa normal na temperatura. Gamit

para sa , nakita namin ang integral

,

nakukuha natin

. (4.80)

Ang temperatura ng condensation threshold ay tumataas sa pagtaas ng atomic na konsentrasyon at may pagbaba sa masa ng atom .

Ang masa ng isang atom ay ipinahayag sa mga tuntunin ng molar mass

ang konsentrasyon ng mga atom ay ipinahayag sa mga tuntunin ng dami ng molar

.

Mula sa (4.80) sa sistema ng mga yunit ng CGS, nakukuha namin

[TO]. (4.81)

Para sa 2 He 4 na may mga parameter:

, , ,

Nakukuha namin ang wavelength ng de Broglie sa . Para sa isang atom na may average na enerhiya

at momentum

gamitin ang (4.80) at makuha

,

.

Isinasaalang-alang kung saan d ay ang average na distansya sa pagitan ng mga atom, nakita namin

.

Sa pagbaba ng temperatura, ang wavelength ng de Broglie ng isang atom ay tumataas at, kapag naabot ang condensation threshold, ito ay inihambing sa distansya sa pagitan ng mga atomo. Ang mga function ng wave ng mga particle ay nagsasapawan, nakakasagabal, at ang Bose condensate ay nagpapakita ng mga katangian ng quantum.

Bilang ng mga condensed particle. Sa hanay ng temperatura, ang potensyal ng kemikal ay zero. Sa mga temperatura sa ibaba T 0 equation (4.78)

, ,

isinagawa sa pamamagitan ng pagbabawas ng bilang ng mga particle sa gas phase mula sa inisyal N sa kasalukuyang N 1 (T). Katulad ng (4.80), nakukuha natin

, .

Ang resulta ay hinati sa (4.80)

,

at hanapin ang bilang at konsentrasyon ng mga particle na natitira sa phase ng gas:

, (4.82)

. (4.82a)

Bilang ng mga condensed particle

. (4.83)

Ang kamag-anak na bilang ng mga condensed particle ay ipinapakita sa figure.

Panloob na enerhiya at kapasidad ng init. Gamit ang (4.77)

,

makakuha ng panloob na enerhiya

, (4.84)

Sa rehiyon ng condensation nahanap namin

, (4.85)

.

Ang panloob na enerhiya ay natutukoy sa pamamagitan lamang ng kontribusyon ng bahagi ng gas, ang panloob na enerhiya ng condensed phase ay zero . Mula sa (4.85) at (4.82)

nakita namin ang enerhiya sa bawat particle ng gas phase sa condensation region:

. (4.86)

Mula sa (4.85) nakita namin ang kapasidad ng init sa ibaba ng threshold ng condensation:

. (4.87)

Isinasaalang-alang (4.80)

,

mula sa (4.87) nakukuha natin ang kapasidad ng init sa temperatura ng condensation

. (4.87a)

Libreng Enerhiya. Mula sa (4.85)

at mula sa Gibbs–Helmholtz equation (2.29) makikita natin

. (4.88)

Entropy at presyon ipinahayag sa mga tuntunin ng libreng enerhiya

Isinasaalang-alang ang (4.88) sa rehiyon ng condensation, nakukuha namin

, (4.89)

, (4.90a)

Ang pagpapahayag (4.90b) ay equation ng estado ng isang nonrelativistic ideal quantum gas , at tumutugma sa equation ng estado ng isang klasikal na ideal na gas. Paghahambing ng (4.89) at (4.82)

,

nahanap natin yan Ang entropy ay proporsyonal sa bilang ng mga particle ng gas phase . Kaya naman, ang entropy ng condensed phase ay zero . Ang presyon (4.90a) ay tinutukoy ng temperatura at hindi nakadepende sa volume. Ang mga condensed particle ay may zero momentum at hindi gumagawa ng pressure. Ito ay tinutukoy ng konsentrasyon ng mga particle ng gas phase (4.82a)

,

. (4.91)

Pagpapatupad ng condensation. Tinitiyak ng dalawang-particle na banggaan ang thermodynamic equilibrium ng gas. Ang mga banggaan ng tatlong katawan ay humahantong sa pagbuo ng likido at solidong estado. Sa medyo mataas na densidad ng gas, ang tatlong-particle na banggaan ay makabuluhan. Ang interatomic na pakikipag-ugnayan ay bumubuo ng isang likido o mala-kristal na estado sa mababang temperatura. Sa mababang density ng gas, ang posibilidad ng tatlong-particle na banggaan ay mas mababa kaysa dalawang-particle na banggaan. Bilang isang resulta, ang isang gas na metastable na estado na may sapat na mahabang buhay ay posible sa mababang temperatura. Ang mga unang condensate ay nakuha mula sa mga atomo ng rubidium, sodium, hydrogen sa temperatura ng gas phase na ~10-2 K, sa ilalim ng presyon P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Gas hold sa isang evacuated glass cell sa isang lugar na mas mababa sa 1 mm ang laki, magnetic trap . Ang sistema ng coil ay lumilikha ng isang hindi pantay na magnetic field na may ganap na minimum sa gitna. Magnetic moment ng isang atom pm sa isang magnetic field B tumatanggap ng enerhiya (- pm×B). Para sa punto 2 sa gitna ng bitag, ang field ay napakaliit; para sa punto 1, ang layo mula sa gitna, ang field B malakas. Sa thermodynamic equilibrium, ang mga potensyal na electrochemical ay pareho sa lahat ng mga punto

.

magnetic trap

Sa ground state ng 2 He 4 atom, ang mga spin ng mga electron ay nakadirekta sa magkasalungat na direksyon, ang kanilang mga magnetic moment ay nabayaran, at ang atom ay walang sariling magnetic moment. Kapag ang isang panlabas na magnetic field ay naka-on sa isang atom, ang isang pabilog na kasalukuyang ng mga electron ay lumitaw dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng electromagnetic induction. Ayon sa panuntunan ni Lenz, ang sapilitan na magnetic moment ay nakadirekta laban sa panlabas na larangan, nagbibigay ito

,

Ang potensyal ng kemikal ay tumataas sa pagtaas ng konsentrasyon ng mga particle, pagkatapos ay nakukuha natin

Ang mga atomo na may mga magnetic moment na nakadirekta laban sa field ay itinutulak palabas mula sa isang malakas patungo sa isang mahinang magnetic field - " Ang mga diamagnetic na atom ay naghahanap ng mahinang larangan ". Bilang resulta, ang mga atomo ay kinokolekta at gaganapin sa gitna ng bitag. Ang retention area ay mukhang isang tabako na may diameter na ~(10…50) µm at may haba na ~300 µm. Ang mga atom ay tinanggal mula sa bitag sa pamamagitan ng isang maikling pulso ng mataas na dalas ng radiation, na ikiling ang mga magnetic moment ng mga atom. Ang isang superposisyon ng mga estado ay lumitaw na may mga sandali na nakadirekta laban sa at kasama ang field, ang huling estado ay itinutulak palabas ng bitag.

Upang mapanatili ang Bose condensate, ang mga microcircuit ay binuo din na lumilikha ng kinakailangang pagsasaayos ng magnetic field sa layo na ~0.1 mm mula sa kanilang ibabaw at kumonsumo ng kapangyarihan na ~1 W. Sa ganoong mga distansya, ang chip ay lumilikha ng isang mas hindi pare-parehong magnetic field kaysa sa coil, na nagbibigay ng mas mahusay na gas containment. Ang maliit na tilad ay maliit, may temperatura ng silid, ang thermal radiation nito ay mahina na hinihigop ng gas. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga agos ng chip, maaaring ilipat ng isa ang gitna ng bitag at ilipat ang Bose condensate sa ibabaw ng chip.

Paglamig ng gas isinagawa pamamaraan ng laser batay sa epekto ng Doppler. Kung ang mga random na gumagalaw na atom ay nakadirekta sa laser radiation na may dalas 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, nakikita ang dalas

at sa n¢ = n 0 ito ay sumisipsip ng isang photon. Bilang resulta, ang atom ay tumatanggap ng isang salpok laban sa bilis nito at nababawasan ng bilis. Ang isang nasasabik na atom ay nagpapalabas ng enerhiya na isotropikal sa karaniwan. Ang radiation sa malapit na infrared na rehiyon ng spectrum, na nilikha ng mga semiconductor laser at nakadirekta sa gas mula sa anim na magkabilang patayo na panig, ay humahantong sa paglamig nito.

Ginamit din evaporative paglamig sa pamamagitan ng pag-eject mula sa periphery ng trap atoms na may pinakamataas na bilis gamit ang high-frequency magnetic field. Ikiling nito ang magnetic moments, lumilikha ng isang bahagi sa direksyon ng field, na ibinubugaw ng bitag. Ang mga particle na may mas mataas na bilis ay umaabot sa hangganan ng gas nang mas mabilis at ang kanilang konsentrasyon sa hangganan ay mas mataas kaysa sa konsentrasyon ng mga particle na may mababang bilis. Samakatuwid, ang posibilidad ng pagsingaw ng mga particle na may mataas na enerhiya ay mas mataas. Para sa isang bitag batay sa mga coils, ang paglamig ay nangyayari sa isang gas phase na temperatura na humigit-kumulang 10-7 K sa isang oras mula 10 s hanggang 10 min. Para sa chip, ang temperatura na kinakailangan para sa condensation ay naabot sa mas mababa sa 1 s. Ang konsentrasyon ng condensate atoms ay ~1014 cm–3, at ang thermal energy ay tumutugma sa temperaturang mas mababa sa 10–11 K.

Bilang karagdagan sa tatlong pinagsama-samang estado ng bagay na kilala sa bawat ikapitong baitang (solid, likido at gas), may iba pang pinagsama-samang estado. Ang isa sa mga ito ay isang Bose condensate - isang estado ng bagay na nakakamit sa mga temperatura na malapit sa absolute zero. Sa ganitong estado, ang bagay ay nagsisimulang magpakita ng iba't ibang mga kagiliw-giliw na katangian, halimbawa, ang isang grupo ng mga particle ay kumikilos tulad ng isang solong butil. Ang posibilidad ng naturang estado ay hinulaang noong 1925 ni Albert Einstein. Noong 1995, ang mga Amerikanong pisiko na sina Eric Cornell at Karl Wiemann ay nag-set up ng isang eksperimento kung saan nakakuha sila ng Bose-Einstein condensate (para sa pagtuklas na ito, natanggap nila ang Nobel Prize noong 2001 kasama ang German Wolfgang Ketterle).

Sa kanilang eksperimento, ginamit ng mga siyentipiko ang mga metal na atomo (rubidium). Ngunit ang ideya na lumikha ng isang Bose-Einstein condensate mula sa iba pang mga particle, sa partikular na mga photon, upang ang sistema ay kumikilos tulad ng isang solong "superphoton", tumakbo sa isang pangunahing problema. Ang katotohanan ay ang mga photon, bagaman mayroon silang mga katangian ng mga particle, ay hinihigop ng mga nakapaligid na materyales sa panahon ng paglamig, at sa gayon ay inilalantad ang kanilang likas na alon.

Ang mga physicist mula sa Unibersidad ng Bonn, na pinamumunuan ni Martin Weitz, ay nagawang lutasin ang problemang ito.

Bukod dito, lumikha sila ng isang Bose-Eishntein condensate sa temperatura ng silid.

Sa isa sa mga paglalarawan ng gawaing ito, halimbawa, mayroong isang parirala bilang "isang maliit na sensasyon." Zoran Hadjibabich mula sa Unibersidad ng Cambridge sabi ng New Scientist na ang gawain ng mga siyentipikong Aleman, na inilathala sa Kalikasan, "sinasara ang bilog na theoretically nagsimulang iguhit nina Bose at Einstein 85 taon na ang nakakaraan."

Volker Lannert, Unibersidad ng Bonn

Ang pagiging simple ng pang-eksperimentong setup ng mga German physicist ay nararapat ding paghangaan. Sa kanilang eksperimento, gumamit sila ng dalawang highly reflective concave mirror na may pagitan ng 1 micron (10 -6 metro). Ang mga salamin ay inilagay sa isang "tina" - isang pulang likidong organikong daluyan. Ang mga eksperimento ay nag-pulso ng mga berdeng laser beam sa kapaligirang ito. Ang liwanag, na paulit-ulit na sumasalamin mula sa mga salamin, ay dumaan sa "kulay". Sa kasong ito, ang mga molekula ng "tina" ay sumisipsip ng mga photon ng laser at muling inilabas ang mga ito na may mas mababang enerhiya, sa dilaw na rehiyon ng nakikitang kulay. Iyon ay, naabot ng mga siyentipiko sa kanilang bitag ang estado ng equilibrium na enerhiya ng mga photon sa temperatura ng silid.

"Sa panahon ng prosesong ito, ang mga photon ay lumalamig sa temperatura ng silid nang hindi" nawala, " ipinaliwanag ni Martin Weitz.

Sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga photon sa pag-install (para dito kinakailangan na gawing mas maliwanag ang laser), nakamit ng mga siyentipiko ang isang density ng halos isang trilyong photon bawat cubic centimeter. Sa gayong density, lumitaw ang mga photon na hindi maaaring lumahok sa balanse ng enerhiya. Ang mga sobrang photon na ito ay sabay-sabay na dumaan sa estado ng Bose-Einstein condensate, na na-condensed sa isang malaking "superphoton". "Ang lahat ng mga photon ay nagsimulang pumunta sa paa hanggang paa," komento ni Weitz sa hindi pangkaraniwang bagay na ito.

Kung ikukumpara sa pagbuo ng Bose-Einstein condensate mula sa mga cooled rubidium atoms, ang kasalukuyang eksperimento ay tila napakasimple." sabi ng Nature News Matthias Weidemüller mula sa Unibersidad ng Freiberg. Naniniwala siya na ang paraan ng light condensation na iminungkahi ng mga Aleman na siyentipiko ay maaaring maging epektibo lalo na para sa pagkolekta at pagtutok ng sikat ng araw sa mga solar panel sa maulap na panahon, kapag walang paraan upang mangolekta ng direktang pag-iilaw.

Bilang karagdagan, ang pamamaraan na ito ay maaaring gawing posible na lumikha ng mga bagong mapagkukunan ng short-wavelength laser radiation, sa partikular na X-ray.

Si Weitz mismo ay naniniwala na ang gawain niya at ng kanyang mga kasamahan ay maaaring makatulong sa higit pang pagbawas sa laki ng mga elektronikong aparato, sa partikular na mga microchip ng computer. Ito, sa turn, ay maaaring magpapahintulot sa paglikha ng isang bagong henerasyon ng mga computer, na may mas mahusay na pagganap kaysa sa mga kasalukuyan.

Buweno, si Wolfgang Ketterle, isa sa mga nagwagi ng Nobel Prize para sa pagkuha ng Bose-Einstein condensate mula sa rubidium atoms, ay nagsabi: “Kapag nagbibigay ako ng mga lektura, sinasabi ko sa mga estudyante kung bakit ang Bose-Einstein condensate ay hindi maaaring makuha gamit ang mga photon, upang ipakita ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga photon at atoms. Ngunit ngayon ang pagkakaibang iyon ay nawala."

Sa pangkalahatan, ang mga particle ay maaaring hatiin sa mga fermion at boson (na may half-integer at integer spins). Kapag pinalamig mo ang mga boson sa mga temperatura na malapit sa absolute zero, maaari silang mag-condense sa isang kolektibong estado ng bagay na kilala bilang isang Bose-Einstein condensate, kapag ang isang medyo malaking bilang ng mga atom ay nasa magkaparehong estado ng quantum, na nagbibigay-daan sa iyo upang obserbahan ang iba't ibang hindi pangkaraniwang phenomena , tulad ng parehong superconductivity.

Ang unang eksperimento sa pagkuha ng condensate na may kinalaman sa rubidium atoms ay lumamig halos sa absolute zero. Sa kaliwa - data sa pamamahagi ng bilis ng mga atomo bago ang hitsura ng condensate, sa gitna - kaagad pagkatapos, sa kanan - pagkatapos ng ilang oras. (Illustr. R. Zhang.)

Mula sa teoretikal na postulation ng condensate noong 1925 hanggang sa unang pagtuklas nito sa laboratoryo, 60 taon na ang lumipas, ngunit napakalayo pa rin nito sa pagsakop sa lahat ng mga taluktok na nauugnay sa hindi pangkaraniwang bagay na ito. Sa partikular, ang condensate ay nakuha batay sa rubidium atoms sa isang gas na estado, kahit na mas mahusay na makitungo sa mga photon. Bilang karagdagan sa pulos teoretikal na kahalagahan, ang naturang resulta ay maaari ding makahanap ng aplikasyon - sa mga laser na may mga hindi pangkaraniwang katangian o kahit na mga bagong uri ng solar cell.

Ngunit maaari bang "mag-condense" ang mga photon? Ang mga light particle ay walang masa, na tila isang pangunahing kinakailangan para sa pagkuha ng Bose-Einstein condensate. Upang malampasan ang kahirapan na ito, sinubukan ng mga physicist na ikulong ang liwanag sa isang optical na lukab sa pagitan ng dalawang parallel reflective plate, na gagawing kumikilos ang mga photon na parang may masa. Upang maiwasan ang liwanag mula sa "tagas" mula sa naturang bitag, ang mga dingding nito ay dapat gawing bahagyang hubog.

Noong 2010, ipinakita sa eksperimento na ang paglikha ng naturang bitag ay medyo totoo, ngunit ang mga malubhang problema ay nanatili sa interpretasyon ng mga resulta ng naturang mga eksperimento. Upang makatiyak sa kanila, kinakailangan upang matupad ang ilang partikular na pangangailangan. Una, ang buong sistema ay dapat na dalawang-dimensional, ganap na patag, na napakahirap ipatupad sa isang three-dimensional na mundo. Pangalawa, kailangan mong tiyakin na ang medium sa pagitan ng mga photon (at hindi ito hangin) ay hindi nakakaapekto sa kanilang "condensation" sa panahon ng paglamig.