конденсат Бозе — Эйнштейна

История

В 1925 году Шатьендранат Бозе прислал Альберту Эйнштейну свои расчёты, и тот, развив идею, предсказал, что при сверхнизких температурах атомы могут конденсироваться в одно состояние. Экспериментаторы сумели получить это состояние лишь в 1995 году, использовав лазерное и магнитное охлаждение. Авторы — Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле — получили Нобелевскую премию.

Как работает

Обычно атомы газа носятся с тепловыми скоростями. При охлаждении их движение замедляется, и с каждым атомом связана «квантовая тень» — волна де Бройля, длина которой растёт при падении температуры. Когда тени соседей перекрываются, атомы больше неразличимы и сливаются в единый квантовый объект.

История

В 1925 году Шатьендранат Бозе прислал Альберту Эйнштейну свои расчёты, и тот, развив идею, предсказал, что при сверхнизких температурах атомы могут конденсироваться в одно состояние. Экспериментаторы сумели получить это состояние лишь в 1995 году, использовав лазерное и магнитное охлаждение. Авторы — Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле — получили Нобелевскую премию.

Как работает

Обычно атомы газа носятся с тепловыми скоростями. При охлаждении их движение замедляется, и с каждым атомом связана «квантовая тень» — волна де Бройля, длина которой растёт при падении температуры. Когда тени соседей перекрываются, атомы больше неразличимы и сливаются в единый квантовый объект.

История

В 1924 году Бозе отправил Эйнштейну статью, в которой вывел распределение Планка для фотонов, трактуя их как тождественные кванты. Эйнштейн распространил метод на массивные частицы и в 1925 году предсказал Бозе-конденсацию. Долго это считалось теоретическим курьезом, но открытие сверхтекучести гелия-4 (1938) показало реальность квантовых явлений в макромире. С изобретением лазерного охлаждения в 1980-х стало возможным достичь нужных температур. В 1995 году Корнелл и Виман получили конденсат атомов рубидия, Кеттерле — натрия.

Как работает

Критерий конденсации: тепловая длина волны де Бройля λ_th = h/√(2π m k_B T) должна быть порядка среднего расстояния между частицами n^{-1/3}. Для идеального однородного бозе-газа k_B T_c = (2πħ²/m)[n/ζ(3/2)]^{2/3}. Ниже T_c макроскопическая доля частиц скапливается в основном состоянии. Движущая сила — квантовая статистика: фактор заселённости состояния с энергией ε равен 1/(e^{(ε-μ)/k_B T} - 1), и при μ → 0 он расходится для ε → 0. Когерентность конденсата порождает сверхтекучесть, интерференцию и возможность создания «атомных лазеров».

Открытые проблемы и интересные факты

Поведение конденсата при сильном межатомном взаимодействии, когда теория среднего поля неприменима.; Поиск материалов для комнатнотемпературного конденсата (экситонные, поляритонные системы).; Изучение квантовой турбулентности и её космологических аналогий (например, моделирование излучения Хокинга).

💡 В 1999 году группа Лене Хау замедлила световой импульс в конденсате до скорости велосипедиста (17 м/с), а затем полностью его остановила, записав информацию о фазе в спиновом состоянии облака. При повторном включении лазера импульс восстанавливался и уходил дальше.