Конденсат Бозе-Эйнштейна

19.10.201801.11.2020 Виктор Потехин

Конденсат Бозе-Эйнштейна.

Конденсат Бозе-Эйнштейна – агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю, и проявляющих свои квантовые эффекты на макроскопическом уровне.

Конденсат Бозе-Эйнштейна:

Конденсат Бозе-Эйнштейна – агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина).

По сути, конденсат Бозе-Эйнштейна является конденсированным состояниям бозе-газа — газа, состоящего из бозонов и подчиняющемуся квантовомеханическим эффектам. Конденсат Бозе-Эйнштейна наряду с газом, жидкостью, твёрдым телом и плазмой является одним из агрегатных состояний вещества.

Бозон – частица или квазичастица с целым значением спина, выраженного в единицах постоянной Дирака ħ. Спин – это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением (перемещением или вращением) частицы как целого. Спин может быть целым числом (0, 1, 2), а может быть полуцелым (1/2, -1/2). По спину частицы делят на фермионы и бозоны. Первые имеют полуцелый спин, а вторые — целый.

Бозонами являются, и отдельные элементарные частицы – фотоны, и целые атомы (например, гелий-4). А к фермионам относят, например, электроны, протоны, нейтроны.

Существование конденсата Бозе-Эйнштейна предсказали ученые – Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн в 1924 г., а на практике его подтвердили в 1995 г. – исследователи из Национального института стандартов и технологии США Эрик Корнелл и Карл Вимен при помощи лазерного охлаждения охладили газ из атомов рубидия-87 до температуры в 170 нанокельвинов.

Атомы вещества при охлаждении теряют свою энергию и по мере охлаждения опускаются до более низкого энергетического состояния. Охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур (вплоть до абсолютного ноля) заставляет их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое (энергетическое) состояние.

В сильно охлаждённом состоянии, близком к абсолютному нулю, достаточно большое число атомов оказывается (по-другому, конденсируется) в своих минимально возможных квантовых состояниях. Результатом такой конденсации бозонов становится возникновение новой формы вещества – конденсата Бозе-Эйнштейна, которая находится в одном квантовом состоянии и проявляет новые свойства, обусловленные волновой природой частиц. В новой образованной форме вещества квантовые эффекты (квантовый эффект Холла, Зенона, Шоттки и пр.) начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Иными словами, конденсат Бозе-Эйнштейна состоит из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном низкоэнергетическом состоянии, в котором на макроскопическом уровне проявляется волновая природа частиц. В итоге получается одна квантово-механическая волна в макромасштабе.

Рис 1. Проявление квантово-механической волны в макромасштабе в конденсате Бозе-Эйнштейна

На рисунке представлены данные о распределении скорости (3 вида) для газа атомов рубидия, подтверждающие открытие новой фазы вещества – конденсата Бозе-Эйнштейна. Слева: перед появлением конденсата Бозе-Эйнштейна. Центр: сразу после появления конденсата. Справа: после дальнейшего испарения, оставляя образец почти чистого конденсата.

@ https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate

В настоящее время получены конденсаты Бозе-Эйнштейна фотонов и атомов: ⁷Li, ²³Na, ³⁹K, ⁴¹K, ⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb, ¹³³Cs, ⁵²Cr, ⁴⁰Ca, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁸Sr, ¹⁷⁴Yb, ¹⁶⁴Dy и ¹⁶⁸Er.

Для получения конденсата Бозе-Эйнштейна используются сверхнизкие температуры 10⁻⁷ K и ниже, которые достигаются с помощью лазерного охлаждения и удержания атомов в магнитной ловушке.

Практическое применение конденсат Бозе-Эйнштейна находит в атомном лазере – устройстве для получения пучков движущихся атомов, находящихся в когерентном состоянии. С помощью атомного лазера можно размещать атомы на поверхностях устройств, материалов и оборудования с недостижимой ранее точностью, позволяющей создавать принципиально новые структуры, что может привести к новому технологическому прорыву в различных областях науки и техники, в т.ч. в микроэлектронике.

Другим практическим применением конденсата Бозе-Эйнштейна может служить использование его в квантовых вычислениях, если принимать каждую частицу – атом за кубит.

Найти что-нибудь еще?