Конденсат Бозе

Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения.

Конденса́т Бо́зе — Эйнште́йна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Теоретически предсказан как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. 70 лет спустя, в 1995 году, первый бозе-конденсат был получен в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 5,9 пикокельвин (пК) (5,9·10⁻¹² Кельвин). За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Введение

Конденсаты — это чрезвычайно низкотемпературные жидкости со свойствами, которые в настоящий момент не до конца понятны. Этот феномен является непосредственным проявлением законов квантовой механики, согласно которым система может получать энергию только дискретно. Если система находится при настолько низких температурах, что пребывает в наинизшем энергетическом состоянии, то она уже не в состоянии уменьшить свою энергию даже за счёт трения. Без трения жидкость легко преодолевает гравитационное притяжение благодаря молекулярному сцеплению жидкости со стенками сосуда и занимает наиболее выгодное положение — вне сосуда.

Теория

Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Это явление было предсказано в 1925 году А. Эйнштейном, как результат обобщения работы Ш. Бозе, где строилась статистическая механика для частиц, начиная от безмассовых фотонов до обладающих массой атомов (рукопись Эйнштейна, считавшаяся утерянной, была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 году). Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.

Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы, определяется формулой

$T_c=\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3}\frac{h^2}{2\pi mk_B},$

где $T_c$ — критическая температура, $n$ — концентрация частиц, $m$ — масса, $h$ — постоянная Планка, $k_B$ — постоянная Больцмана, $\zeta$ — дзета-функция Римана, $\zeta(3/2)=2{,}6124\ldots$

Практика

В 1995 году Эрику Корнеллу и Карлу Вимену из Национального института стандартов и технологии США при помощи лазерного охлаждения удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов и экспериментально подтвердить существование конденсата Бозе — Эйнштейна, за что они совместно с Вольфгангом Кеттерле, который четыре месяца спустя получил конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов натрия с использованием принципа удержания атомов в магнитной ловушке, в 2001 г. были удостоены Нобелевской премии по физике^[1].

В 2000 году группе учёных из Гарвардского университета удалось привести свет к «полной остановке», направив его на конденсат Бозе —- Эйнштейна рубидия.^[2][3]

До недавнего времени наименьшая официально зарегистрированная скорость света была чуть больше 60 км/ч — сквозь натрий при температуре −272 °C.^[4]

В 2010 году был впервые получен бозе-эйнштейновский конденсат фотонов^[5][6][7].

Примечания

1. ↑ Lenta.ru: Прогресс: Пятое состояние вещества
2. ↑ Ученые замедлили скорость света до 0,2 миллиметра в секунду | ScienceBlog.Ru — научный блог
3. ↑ Слепов Н. О свете медленном и быстром. По следам презентации Р. Бойда на OFC-2006 // Фотоника. — 2007. — В. 1. — С. 16—27.
4. ↑ Hau L. V. et al. Light speed reduction to 17 m/c in an ultracold atomic gas // Nature. — 1999. — № 397. — С. 594. — ISSN 0028-0836.
5. ↑ Немецкие физики научились охлаждать и конденсировать свет  (рус.), РИА Новости (25 ноября 2010). Проверено 25 ноября 2010.
6. ↑ Physicists Create New Source of Light: Bose-Einstein Condensate 'Super-Photons'  (англ.), Science Daily (24 ноября 2010). Проверено 25 ноября 2010.
7. ↑ Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger, Martin Weitz Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity (англ.) // Nature. — 2010. — Т. 468. — С. 545—548.

Ссылки

• Слежка за бозе-конденсатом Компьютерра
• Бозе-Эйнштейна конденсация Физическая энциклопедия
• Эффект Бозе-Эйнштейновской конденсации О. В. Кибис, Соросовский образовательный журнал, 2000, № 11, с. 90-95.