Конденсат Бозе-Эйнштейна не похож на знакомые нам формы материи, такие как твердые тела и жидкости. Эта форма материи не является парообразной, как газ, или текучей, как жидкость, или твердой, как предмет.
Очень трудно подобрать правильные слова для описания характеристик конденсата Бозе-Эйнштейна, потому что он не из этого мира — мы его никогда не видели! Он создан в области квантовой механики, которая является разделом физики, изучающим то, что происходит внутри атомов.
Атомы похожи на крошечные кирпичики Lego, из которых состоит все, что есть во Вселенной.
Содержание
Захват «Святого Грааля»
Эрик А. Корнелл из Национального института стандартов и технологий и Карл Э. Виман из Колорадского университета в Боулдере возглавили группу физиков JILA, совместного института NIST и CU-Boulder, в исследовательской работе, кульминацией которой стал 1995 г. с созданием первого в мире конденсата Бозе-Эйнштейна — новой формы материи.
Эта работа принесла им вместе с Вольфгангом Кеттерле, исследователем из Массачусетского технологического института, который провел ранние исследования свойств конденсата Бозе-Эйнштейна, Нобелевскую премию по физике 2001 года.
Предсказанная в 1924 году Альбертом Эйнштейном, который основывался на работе Сатьендры Нат Бозе.
Конденсация происходит, когда отдельные атомы сливаются в «суператом», действующий как единое целое всего лишь на несколько сотен миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.
Многие физики сравнивали 71 — летний поиск подтверждения теории Бозе и Эйнштейна с поиском мифического Святого Грааля.
Впервые конденсация была достигнута в 10:54 5 июня 1995 года в лаборатории JILA. Аппарат, который его изготовил, сейчас находится в Смитсоновском институте.
Атомы в конденсате подчиняются законам квантовой физики и настолько близки к абсолютному нулю — минус 273,15 по Цельсию или минус 459,67 по Фаренгейту — насколько позволяют законы физики. Физики сравнили его с кристаллом льда, формирующимся в холодной воде.
Рецепт для конденсата Бозе-Эйнштейна
Команда под руководством Корнелла и Вимана использовала лазерные и магнитные ловушки для создания конденсата Бозе-Эйнштейна — крошечного шарика из атомов рубидия, неподвижных настолько, насколько это позволяют законы квантовой механики.
Конденсат образовывался внутри стеклянной кюветы размером с морковку. Конденсат, видимый с помощью видеокамеры, выглядит как косточка в вишне, за исключением того, что его диаметр составляет всего около 20 микрон или примерно одну пятую толщины листа бумаги.
Виман начал поиски конденсата Бозе-Эйнштейна примерно в 1990 году с помощью разработанного им комбинированного лазерного и магнитного охлаждающего устройства.
Он впервые применил диодные лазеры за 200 долларов — такие же, как в проигрывателях компакт-дисков, — показав, что они могут заменить лазеры за 150 000 долларов, которые использовали другие. Корнелл присоединился к проекту примерно через год.
Начав с атомов газообразного рубидия при комнатной температуре, команда JILA сначала замедлила рубидий и захватила его в ловушку, созданную светом лазеров.
Инфракрасные лучи были выровнены так, что атомы бомбардировались постоянным потоком фотонов со всех направлений — спереди, сзади, слева, справа, вверх и вниз.
Длина волны фотонов была выбрана так, чтобы они взаимодействовали только с атомами, движущимися навстречу фотонам.
Для атомов: «Это все равно, что бежать под градом: независимо от того, в каком направлении вы бежите, град всегда бьет вам в лицо», — сказал Виман.
Где еще не было температуры
Техника Вимана охладила атомы примерно до 10 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, что все еще было слишком горячим для образования бозе-эйнштейновской конденсации. В световой ловушке было захвачено около 10 миллионов этих холодных атомов.
Все готово для получения конденсата Бозе — Эйнштейна.
Идет эксперимент с конденсатом Бозе — Эйнштейна.
Как только атомы были пойманы, исследователи выключили лазер и удерживали атомы на месте с помощью магнитного поля. Большинство атомов действуют как крошечные магниты, потому что они содержат вращающиеся заряженные частицы, такие как электроны. Атомы могут быть захвачены или удерживаться на месте, если вокруг них правильно организовано магнитное поле.
Самой сложной частью было улавливание достаточно высокой плотности атомов при достаточно низкой температуре.
Корнелл придумал усовершенствование стандартной магнитной ловушки, называемой ловушкой с усредненным по времени орбитальным потенциалом, — это был последний прорыв, позволивший им образовать конденсат.
Поскольку самые холодные атомы имели тенденцию выпадать из центра стандартной атомной ловушки, как шарики, падающие в воронку, Корнелл разработал метод перемещения воронки.
«Это похоже на игру с атомами, потому что дырка продолжала циркулировать быстрее, чем атомы могли реагировать», — сказал Корнелл.
Вместе с Корнеллом и Виманом над начальным конденсатом работали исследователь с докторской степенью Майкл Андерсон и аспиранты CU-Boulder Джейсон Эншер и Майкл Мэтьюз. За шесть лет, предшествовавших открытию, в эксперименте участвовали восемь аспирантов и трое студентов бакалавриата Калифорнийского университета в Боулдере.
Дальнейшие путешествия в суперхолод
Около трех десятков лабораторий по всему миру воспроизвели открытие конденсата Бозе-Эйнштейна и проводили широкий спектр экспериментов. В 1997 году исследователи под руководством лауреата Нобелевской премии по физике 2001 года Кеттерле из Массачусетского технологического института разработали атомный лазер на основе открытия в Колорадо, который мог капать отдельными атомами вниз из микроносика.
Этот прорыв, ставший возможным благодаря превращению сверххолодных атомов в пучок, может привести к созданию новой технологии изготовления чрезвычайно маленьких компьютерных чипов. В конце концов, такое устройство сможет создавать наноустройства по одному атому за раз.
В феврале 1999 года группа исследователей из Гарвардского университета под руководством Лене Вестергаард Хау использовала БЭК для замедления света, который обычно движется со скоростью 186 000 миль в секунду, до 38 миль в час, пропуская через конденсат лазерный луч.
В 2001 году команда Хау объявила, что на короткое время полностью остановила световой луч.
18 июня 1999 года исследователь JILA Дебора Джин из NIST и аспирант CU-Boulder Брайан Демарко использовали эту технику для получения первого ферми-вырожденного газа атомов, состояния вещества, в котором атомы ведут себя как волны.
Пионеры конденсата Бозе-Эйнштейна Корнелл и Виман продолжают исследовать свойства своего открытия. В 1999 году они были лидерами группы, которая создала первые вихри, когда-либо замеченные в конденсатах. Они также проводят обширные исследования двухкомпонентных конденсатов.
В июле 2001 года Корнелл и Виман были частью команды CU-Boulder/JILA, которая смогла уменьшить конденсат Бозе-Эйнштейна — событие, за которым последовал крошечный взрыв. Команда заявила, что это явление в некотором роде похоже на микроскопический взрыв сверхновой, и назвала его «босеновой». Около половины первоначальных атомов, по-видимому, исчезают в процессе.
Часто задаваемые вопросы
Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой набор атомов, охлажденных до чрезвычайно низких температур, в котором все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Исследователи использовали лазерные поля, чтобы побудить пары атомов рубидия в конденсате объединиться в молекулы.
Абсолютный ноль — это температура, при которой атомы не имеют энергии и полностью прекращают движение (-273 Цельсия, -460 градусов по Фаренгейту, 0 по Кельвину).
Когда газ с низкой плотностью охлаждается до температуры, лишь на долю ниже абсолютного нуля.
Предлагаемые области применения конденсата Бозе-Эйнштейна:
- Квантовая обработка информации - концепция квантового компьютера.
- Прецизионное измерение путем разработки наиболее чувствительных детекторов с использованием БЭК.
- Разработка оптических решеток, которые можно было бы легко модифицировать, изменяя межплоскостное расстояние и т. д.
Ученые, работающие над конденсатом Бозе-Эйнштейна (Корнелл и Виман), получили Нобелевскую премию за свою работу в 1995 году. Это был крупный научный прорыв в областях химии и физики, и сегодня он используется в таких технологиях, как создание сверхбыстрых компьютерных чипов.
Наиболее очевидным свойством является то, что большая часть его частиц занимает одно и то же, а именно самое низкое энергетическое состояние. В атомарных конденсатах это можно подтвердить, измерив распределение атомов по скоростям в газе.
Двумя примерами материалов, содержащих конденсат Бозе-Эйнштейна, являются сверхпроводники и сверхтекучие жидкости. Сверхпроводники проводят электричество практически с нулевым электрическим сопротивлением: как только ток начинается, он течет бесконечно. Жидкость в сверхтекучей жидкости также течет вечно.
