Конденсация бозе эйнштейна


Конденсат Бозе — Эйнштейна – специфическое агрегатное состояние агрегатное состояние вещества, которая представлено по большей части бозонами в условиях сверхнизкой температуры.


Является конденсированным состояниям бозе-газа — газа, состоящего из бозонов и подчиняющемуся квантовомеханическим эффектам.

Статистика Бозе — Эйнштейна

В 1924-м году индийский физик Сатьендра Нат Бозе предложил квантовую ста&.
089;ть него. В 1925-м году Альберт Эйнштейн обобщил труды Бозе, применив его статистику к системам, состоящим из атомов с целым спином. К таким атомам, например, относятся атомы Гелия-4.
1042; отличие от фермионов, бозоны не подчиняются запрещающему принципу Паули, то есть несколько бозонов могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Статистика Бозе — Эйнштейна способна описать распределение частиц с целочисленным или нулевым спином.


1050;роме того, эти частицы не должны взаимодействовать и должны быть тождественны, то есть неразличимы.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой газ, состоящий из частиц или атомов с целым спином. Как &#.
#1079;ываемые квантовые эффекты. Согласно работе Эйнштейна, с понижением температуры количество доступных частице квантовых состояний будет уменьшаться. Причиной это&.
2;именее энергетические состояния. Учитывая то, что бозоны способны одновременно находиться в одном и том же состоянии, с понижением температуры они перейдут в одно и то же состояние.


Таким образом, конденсат Бозе — Эйнштейна будет состоять из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном состоянии. Примечательно, что также с понижением температуры все более будет проявляться волновая природа частиц. На выходе будем иметь одну квантово-механическую волну в макромасштабах.


Как получить конденсат Бозе — Эйнштейна?

Впервые данное агрегатное состояние было достигнуто в 1995-м году американскими физиками из Национального института стандартов и технологии – Эриком Корнеллом и Карлом Вименом.
1042; эксперименте использовалась технология лазерного охлаждения, благодаря которой удалость понизить температуру образца до 20 нанокельвинов. В качестве материала для газа использовался рубидий-87, 2 тысячи атомов которого перешли в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна.
1057;пустя четыре месяца немецкий физик Вольфганг Кеттерле также достиг конденсата в значительно больших объемах. Таким образом ученые экспериментально подтвердили возможность достижения «пятого агрегатного состояния» в условиях сверхнизких температур, за что в 2001-м году получили Нобелевскую премию.

В 2010-м году немецкие ученые из Боннского университета под руководством Мартина Вейца получили конденсат Бозе — Эйнштейна из фотонов при комнатной температуре. Для этого использовалась камера с двумя изогнутыми зеркалами, пространство между которыми постепенно заполнялось фотонами. В некоторый момент, «запускаемые» внутрь фотоны уже не могли прийти к равновесному энергетическому состоянию, в отличие находящихся там ранее фотонов. Эти «лишние» фотоны начали конденсироваться, переходя в одно и то же наименее энергетическое состояние и образовывая тем самым пятое агрегатное состояние. То есть ученым удалось получить конденсат из фотонов при комнатной температуре, без охлаждения.

Конденсация бозе эйнштейна

Уже к 2012-му году удалось достичь конденсат из множества других изотопов, в том числе изотопы натрия, лития, калия и др. А в 2014-м году была успешно протестирована установка для создания конденсата, которую в 2017-м году отправят на Международную космическую станцию для проведения экспериментов в условиях невесомости.

Применение конденсата

Хотя данное явление сложно представить, как и любые квантовые эффекты, подобное вещество может найти применение в широком спектре задач. Одним из примеров применения конденсата Бозе — Эйнштейна является атомный лазер. Как известно, излучение, испускаемое лазером, является когерентным. То есть фотоны такого излучения имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны. Если же фотоны будут находиться в одном квантово-механическом состоянии, как в случае с конденсатом Бозе — Эйнштейна, то существует возможность синхронизировать данное охлажденное вещество, чтобы получить излучение для более эффективного лазера. Такой атомный лазер был создан еще в 1997-м году под руководством Вольфганга Кеттерле – одного из первых ученых, создавших конденсат.

Метод получения конденсата из фотонов, который был использован немецкими учеными в 2010-м году может найти применение в солнечной энергетике. По мнению некоторых физиков, это позволит повысить эффективность солнечных элементов в условиях пасмурной погоды.

Так как конденсат Бозе — Эйнштейна был получен относительно недавно, сферы его применения еще точно не определены. Однако, по мнению различных ученых, конденсат может быть полезен во многих областях, начиная от медицинского оборудования и заканчивая квантовыми компьютерами.

Источник: SpaceGid.com

Ученые исследовали поведение системы, в которой между атомами одного типа существует взаимодействие, обеспечиваемое другим типом атомов. В данном случае атомы первого сорта находились в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна, а второго — в виде вырожденного ферми-газа. Оказалось, что взаимодействие двух облаков приводит к появлению новой динамики. В частности, конденсат оказался в дополнительном потенциале, а определенное соотношение взаимодействий привело к его схлопыванию в отдельные сгустки. Результаты опубликованы в журнале Nature.

С точки зрения современной теоретической физики любое взаимодействие обеспечивается за счет обмена реальными или виртуальными частицами из особой группы. В Стандартную модель входят несколько типов частиц-переносчиков взаимодействий: фотон, глюон, Z- и W-бозоны. Первый отвечает за электромагнетизм, второй — за сильное взаимодействие, остальные — за слабое взаимодействие. Гравитация теоретически должна допускать описание через обмен виртуальными гравитонами, но соответствующая концепция квантовой гравитации еще не установлена.

Эту идею опосредованного влияния легко проиллюстрировать примером из классической физики. Если одна лодка покоится, а мимо нее проплывет судно, то создаваемые им волны приведут лодку в движение. Аналогично происходят события и в мире элементарных частиц, только во многих случаях объекты обмениваются не реальными частицами, а виртуальными, которые существуют лишь короткое время, чтобы не нарушать закон сохранения энергии.

Свойства частиц-переносчиков определяют свойства самого взаимодействия и связанные с ним феномены. Так, отсутствие массы у фотона делает электромагнетизм дальнодействующей силой, а конечные массы Z- и W-бозонов ограничивают расстояния, на котором слабое взаимодействие может оказывать влияние, внутренностью атомных ядер. Другим примером является сверхпроводимость, ключевую роль в которой играют куперовские пары электронов, которые образуют за счет обмена квантами колебаний кристаллической решетки — фононами.

Все известные частицы-переносчики являются бозонами, то есть обладают целым спином. Вопреки этому правилу, в работе Брайана де Сальво (Brian DeSalvo) и его коллег из Чикагского университета описывается иная ситуация, в которой взаимодействие между атомами цезия-133 зависит от окружающих атомов лития-6, которые относятся к фермионам, то есть частицам с полуцелым спином. Ученые пока не могут реализовать сильного взаимодействия в таком случае, поэтому для его наблюдения приходится охлаждать вещество до перехода в квантовое состояние. Атомы цезия-133 в таком случае становятся конденсатом Бозе — Эйнштейна, так как они являются составными бозонами (суммарный спин всех протонов, нейтронов и электронов является целым числом), а литий-6 превращается в вырожденный ферми-газ.

Прямое взаимодействие между атомами цезия в такой системе существует и приводит к слабому отталкиванию. Непосредственное взаимодействие между атомами лития отсутствует, так как из-за справедливого для фермионов принципа запрета Паули такие частицы не могут занимать одинаковые квантовые состояния. По этой же причине облако атомов лития оказывалось гораздо протяженнее облака атомов цезия. В то же время, взаимодействие между цезием и литием может быть как отталкивающим, так и притягивающим, в зависимости от выбранных параметров. Физики показали, что подобная смесь квантовых состояний приводит к появлению новых феноменов.

В одном эксперименте физики возбуждали периодические колебания в облаках атомов, находящихся во внешнем электромагнитном потенциале ловушки. Оказалось, что присутствие лития меняло характерную для атомов цезия частоту. Причина этого изменения заключалось в том, что по мере смещения атомы цезия попадали в область с иной концентрацией лития, то есть они фактических находились одновременно в двух потенциалах: к потенциалу ловушки добавлялся связанный с распределением плотности лития потенциал.

В рамках другого эксперимента ученые настроили соотношение взаимодействий так, что между атомами цезия было небольшое отталкивание, которое было слегка слабее притяжения за счет взаимодействия с атомами лития. Суммарно получалось притяжение, которое приводило к коллапсу конденсата Бозе — Эйнштейна, так как составляющим его бозонам ничто не запрещает занимать одинаковые квантовые состояния. В результате одно облако разделялось на несколько меньших сгустков, которые называются последовательностью солитонов Бозе — Ферми.

Подобные исследования открывают возможность изучения новых состояний материи и уточнения теоретических моделей существующих. В частности, второй эксперимент примерно соответствует взаимодействию Рудермана — Киттеля — Касуя — Иосиды (РККИ-обменное взаимодействие), которое описывает воздействие магнитных ионов в металлах и полупроводниках посредством обменом электронами. Этот случай также относится к редкому типу, когда фермионы (электроны) выступают в роли частиц-переносчиков взаимодействия. РККИ-обменное взаимодействие ответственно за многие магнитные свойства редкоземельных элементов, в которых совокупность электронов проводимости с высокой точностью соответствует вырожденному ферми-газу. В частности, с этим связан эффект гигантского магнетосопротивления — основу функционирования жестких дисков. Также для подобных гибридных квантовых систем предсказывается возникновение других экзотических магнитных фаз.

Получение конденсата Бозе — Эйнштейна открыло новую эпоху в изучении квантовых явлений, исследования в этой области очень активны. Недавно мы писали о другой работе этого же коллектива ученых, которым удалось поймать фермионы в ловушку при помощи бозе-конденсата. В другом исследовании ученые при помощи этого необычного состояния материи получили сверхтекучесть при комнатной температуре.

Тимур Кешелава

Источник: nplus1.ru

Примерно в 1999 г. доктор Лин Хау из института Роланда провела эксперимент, о котором сообщалось не только в известном научном журнале ”Nature”, но также и на первой полосе “Нью-Йорк Таймс“. В эксперименте она (со своей исследовательской группой студентов и сотрудников) пропустила лазерный пучок через новый вид материи, так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, который замедлил данный пучок света до невероятно малой скорости, составляющей 38 миль в час (примерно 60 километров в час) – это одна шестимиллионная процента от скорости света в вакууме! Это как если бы Галилей бросал пушечные ядра с Пизанской башни, и они падали бы на землю через два года! Итак, знакомимся – конденсат Бозе-Эйнштейна…

А все началось в 1924 г., с исследований индийского физика Ш.Бозе. В своей работе он построил статистическую механику для частиц света – фотонов. Бозе послал свои результаты Эйнштейну, а тот взял, да и расширил эту теорию на обладающие массой атомы определенного типа.

Эйнштейн предсказал, что если газ из таких атомов будет охлажден до очень низкой температуры, все атомы внезапно окажутся в состоянии с наименьшей возможной энергией, т.е. перейдут (или по-другому — сконденсируются) в наинизшее возможное квантовое состояние. Процесс похож на образование капель жидкости из газа, поэтому он и был назван конденсацией, результатом которой должна возникнуть новая форма вещества, которое будет являться в то же время и волной, как и любая элементарная частица.

Итак, совместными усилиями Бозе и Эйнштейн предсказали новое, пятое по счету, агрегатное состояние материи, основу которой составляют атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (несколько стомиллионных долей градуса выше абсолютного нуля). Данное состояние характеризуется тем, что все атомы двигаются согласованно, они формируют одну квантово-механическую волну. В отличие от обычного газа, где частицы двигаются по всем направлениям случайно (обычное тепловое движение), в конденсате Бозе-Эйнштейна практически все атомы оказываются в своих минимально возможных квантовых состояниях, ведут себя как одна большая квантовая волна, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Проще говоря, все атомы теряют свою самостоятельность и начинают вести себя, словно один гигантский атом.

Перед учеными встала задача заставить атомы вещества “петь в унисон”. Это можно сравнить с лазерным лучом, где “поют в унисон” частицы света – в лазере все световые частицы имеют одинаковую энергию и колеблются вместе (излучение когерентно и монохроматично).

Как вы наверно уже поняли, главная проблема заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения вещества – всего до нескольких стомиллионных долей градуса превышающего абсолютный нуль – это более чем в миллион раз ниже температуры межзвездного пространства! Для достижения таких температур обычные холодильники, конечно, не годятся. И даже турбодетандеры, сжижающие гелий, азот и другие газы, не помогут.

И вот, спустя целых 70 лет после исследований великих ученых, в 1995 г. в Объединенном институте лабораторной астрофизики американцами Эриком Корнеллом и Карлом Вейманом был получен первый конденсат Бозе-Эйнштейна. Они получили чистый конденсат из около 2000 атомов рубидия при температуре 20 нанокельвинов, т.е. 0,00000002 градуса выше абсолютного нуля!

Узнав об этом событии, немец Вольфганг Кеттерле, также работающий в США (Массачусетский технологический институт), очень разочаровался. Ведь он тоже проводил собственные эксперименты по получению причудливого конденсата! Но он в своих опытах использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата, причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем американцам!

За эти исследования троим ученым в 2001 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Кроме того, Кеттерле на основе конденсата Бозе-Эйнштейна решил построить атомный лазер. Но об этом ниже.

Так как же ученым удалось получить новую форму вещества? В своих опытах они решили использовать комбинации двух методов глубокого охлаждения, разработанных относительно недавно: лазерного охлаждения и охлаждения испарением.

Экспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедляли их движение, заставляя продираться сквозь густосплетение множества лазерных лучей. А далее, опять же лазерным лучом, отгоняли самые быстрые горячие атомы, пока не осталось сколько-то окончательно замерзших, обездвиженных. Полученный таким образом конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из 2000 атомов рубидия. Причем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль.

Как уже говорилось, Кеттерле на основе конденсата Бозе-Эйнштейна решил построить атомный лазер. И он создал его в 1996 году. Выше указывалось, что обычный лазер испускает когерентное излучение, т.е. все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы — как раз такие, что составляют конденсат Бозе — Эйнштейна, — можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

Вот принципиальная схема атомного лазера. Сначала конденсат Б-Э удерживается магнитной ловушкой (а). У всех атомов при этом электронные спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление «вверх»). Затем короткий импульс высокочастотного излучения «наклоняет» спины атомов (b). Согласно принципам квантовой механики, «наклоненный» спин является суперпозицией (смесью) состояний «спин-вверх» и «спин-вниз». Атомы со спином «вниз» тут же выталкиваются магнитным полем. Атомная «капля» «жидкого света» выводится из магнитной ловушки (с) и затем расширяется, устремляясь к цели (d).

А вот здесь наблюдается когерентность конденсата Б-Э. В магнитной ловушке создается «атомный снежок» сигароподобной формы (а). С помощью лазерного луча конденсат разрезается на две части (b). Затем магнитное силовое поле отключается, и обе половинки падают вниз, постепенно «наезжая» друг на друга. В области перекрытия возникает четкая интерференционная картина (с), которая наблюдается на экране с помощью оптического лазера (d).

Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение. Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель «жидкого света». Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще в то время, когда в Америке началась разработка программы «Звездные войны». Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен такой лазер не только мощностью. Как предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли.

А совсем недавно в Институте квантовой оптики имени М. Планка был создан микрочип величиной в почтовую марку. Он заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Вероятно, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколения с невиданными ранее возможностями по быстродействию.

Источник: ucrazy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.