עיבוי בוז-איינשטיין

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

תמונה של עיבוי בוז-אינשטיין

עיבוי בוז איינשטיין (נקרא לעתים עיבוי בוזה-איינשטיין בחלק מן הספרים) היא תופעה המיוחדת לחלקיקים מסוג בוזון ובה מספר רב של חלקיקים בוזונים נדחס ברמת היסוד (הרמה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר) של מערכת קוונטית, כאשר הטמפרטורה שואפת לאפס המוחלט. התופעה קרויה על שם הפיזיקאים סאטינדרה נאת' בוז ואלברט איינשטיין שתיארו אותה מבחינה מתמטית (התפלגות בוז-איינשטיין) עשרות שנים לפני שנצפתה בפועל. לתופעה זו יש חשיבות נסיונית ביצירת מצבים קוונטים קוהרנטיים ובפיזיקה של חומר מעובה. עיבוי בוז-איינשטיין הופק ונצפה לראשונה במעבדה בניסוי שביצעו אריק קורנל וקרל ויימן ב-1995. הם השתמשו בגז של אטומי רובידיום, שקורר לטמפרטורה של 170 ננו-קלווין (אחד חלקי מיליארד של קלווין), ובמצב זה חלק רב מהאטומים אכן קרס לרמת היסוד, והצמד קיבל נוזל-על.

[עריכה] תאוריה

עיבוי בוז-איינשטיין הוא תוצאה שנובעת מסטטיסטיקת בוז-איינשטיין המתארת כיצד מתפלגת אוכלוסייה של בוזונים בין רמות אנרגיה שונות כתלות בטמפרטורה. התפלגות זו היא הכללה להתנהגות של פוטונים ולמעשה נוצרה כהכללה שלה להתנהגות זאת. כמו הפרמיונים, גם הבוזונים הם חלקיקים זהים שלא ניתן להבחין ביניהם, ולכן הדבר היחידי שאפשר לומר הוא כמה חלקיקים מאכלסים כל רמת אנרגיה (או "מצב" קוונטי) אך בלי לומר איזה חלקיק נמצא איפה. אך בניגוד לפרמיונים - המקיימים את עקרון האיסור של פאולי - הבוזונים לא מוגבלים מבחינת אכלוס ומספר רב של בוזונים יכולים לאכלס את אותה רמת אנרגיה. הבוזונים (חלקיקים כדוגמת פוטונים או אטומי הליום-4) מצייתים להתפלגות בוז-איינשטיין הנתונה על ידי

$\ f( \epsilon ) = \frac{1}{\exp{ \left( \frac{\epsilon - \mu} {k_B T } \right)} - 1 }$

כאן $\ f$ הוא האכלוס הממוצע (או צפיפות האכלוס) של רמת אנרגיה בעלת אנרגיה אפסילון, $\ \mu$ הוא הפוטנציאל הכימי, $\ k_B$ הוא קבוע בולצמן ו- $\ T$ היא הטמפרטורה.

כאשר מקררים בוזונים לטמפרטורה נמוכה מאוד, מאחר והם רשאים לחלוק אותו מצב קוונטי, שיער איינשטיין שאותם חלקיקים ייפלו (או "יתעבו") למצב הקוונטי בעל האנרגיה הנמוכה ביותר המותר להם. במצב כזה, הבוזונים מפגינים התנהגות שונה ונוצרת פאזה חדשה של חומר הנקראת "גז בוזונים מנוון".

הטמפרטורה הקריטית שמתחתיה מתרחש העיבוי (בגז במרחב תלת-ממדי ללא פוטנציאל חיצוני) ניתנת לחישוב מהתאוריה. כאשר מבצעים אותו מקבלים שהיא

$T_c=(\frac{n}{\zeta(\frac{3}{2})})^{2/3}\frac{h^2}{2\pi m k_B}$

כאן $\ n$ היא צפיפות החלקיקים, $\ m$ מסת הבוזון, $\ h$ הוא קבוע פלנק, ו- $\ \zeta$ היא פונקציית זטא של רימן.

[עריכה] גילוי

[עריכה] על נוזל

ב-1938 גילו פייטור קפיסטה (Pyotr Kapitsa), ג'ון אלן (John Allen ) ודון מייזנר (Don Misener) שהליום-4 נהפך לסוג חדש של נוזל - על נוזל - כאשר הטמפרטורה שלו נמוכה מ 2.2 קלווין. להליום על-נוזלי יש תכונות רבות היוצאות מגדר הרגיל, ביניהם היכולת לזרום ללא צמיגות וחיכוך פנימי וכן קיומן של מערבולות מקוונטטות. מהר מאוד הבינו שעל-הנוזליות של ההליום מתרחשת הודות לעיבוי בוז-איינשטיין של מולקולות ההליום-4, שהן בוזונים. תכונות רבות של על נוזל מופיעות גם בגז בוזוני מנוון שיצרו קורנל, ווימן וקטרל (ראו בהמשך). למרות זאת, ההליום העל נוזלי איננו גז בוזוני מנוון, מאחר והוא סוג של נוזל ולא גז, והאינטראקציות בין החלקיקים בו חזקות עד כדי כך שיש לתקן את המודל המקורי של בוז ואיינשטיין על מנת לתארה ולהסבירה כיאות.

[עריכה] הניסוי של קורנל ווימן

העיבוי האמיתי הראשון שנצפה במעבדה נוצר בידי אריק קורנל, קרל ויימן ועוזריהם במעבדת JILA ב 5 ביוני, 1995. הם יצרו את העיבוי על ידי קירור אדים דלילים שהורכבו מ-2000 אטומי רובידיום-87 עד לטמפרטורה של 170 ננו-קלווין באמצעות קירור לייזר וקירור באידוי מגנטי. טכניקת קירור הלייזר הומצאה על ידי קלוד כהן-טנוג'י וויליאם פיליפס, עליה הם זכו בשנת 1997 בפרס נובל לפיזיקה.

כעבור 4 חודשים, בניסוי בלתי תלוי הצליח וולפגנג קטרל (Wolfgang Ketterle) מ-MIT ליצור גז בוזונים מנוון של נתרן-23. בעיבוי זה היו פי 100 יותר אטומים מזה של קורנל, דבר שאפשר לו לצפות בתופעות חשובות הנובעות ממכניקת הקוונטים (למשל, התאבכות קוונטית). ב-2001 זכו קורנל, ווימן וקטרל בפרס נובל לפיזיקה על הישגם ביצירת עיבוי בוז-איינשטיין במעבדה.

בעקבות זוג ניסויים מוצלחים אלה, החל גל של ניסויים שמטרתם ליצור עיבוי של מערכות פיזיקליות שונות. ב נובמבר 2003 הצליחה קבוצה שהורכבה מוולפגנג קטרל, דבורה ג'ין ורודולף גרים, ליצור גז בוזונים מנוון המורכב ממולקולות.

[עריכה] קשיים ביצירת גז בוזונים מנוון

עיבוי בוז-איינשטיין הוא מצב מאוד שביר ולא יציב, בהשוואה למצבי צבירה נפוצים יותר. אינטראקציה של הגז עם העולם הסובב אותו - קטנה ככל שתהיה - יכולה לחמם את הגז מעבר לטמפרטורה הקריטית של העיבוי, וכתוצאה מכך להרוס את העיבוי ולהתחמם לגז רגיל.

כרגע נחקרות דרכים כיצד לנצל את גז הבוזונים המנוון למחקרים פיזיקליים נוספים וליישמו באופן מעשי. אחד הניסיונות הוא להשתמש בגז בוזונים מנוון כמנגנון ליצירת מצבים קוונטים קוהרנטיים רבים, שכן במצב העיבוי כל האטומים נמצאים ברמה האנרגטית הנמוכה ביותר.