Конденсат Бозе — Эйнштейна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние материи, основу которой составляют охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю бозоны. В таком переохлаждённом состоянии большее 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 Сатиндра Бозе в 1925 году. 70 лет спустя, в 1995 году, первый конденсат был получен в Колорадском университете Эриком Корнеллом и Карлом Виманом в лаборатории Boulder NIST-JILA. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 170 нано кельвин (нК). 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. Например, одним из таких свойств является самопроизвольное вытекание из сосуда, в который они помещены. Это явление 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 г. А. Эйнштейном, как результат обобщения работы С.Н. 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 г.) 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, такие как гелий – 4, 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

$T_c = \left( {\frac{n}{{\varsigma \left({3/2}\right)}}} \right)^{2/3}\frac{{h^2}}{{2 \pi m k_B}}$ ,

где: $T c$ — критическая температура, $n$ — концентрация частиц, $m$ — масса, $h$ — постоянная Планка, $k B$ — постоянная Больцмана, $\varsigma$ — функция Римана, $\varsigma \left( {3/2} \right) = 2.6124$ .