Kondensat Bosego Einsteina. Stany skupienia - kondensat Bosego-Einsteina. Trwa eksperyment z kondensatem Bosego-Einsteina

Ogólnie cząstki można podzielić na fermiony i bozony (ze spinem półcałkowitym i całkowitym). Kiedy bozony schładzamy do temperatur bliskich zera absolutnego, mogą one skondensować się w zbiorczy stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina, w którym dość duża liczba atomów osiąga identyczny stan kwantowy, co pozwala obserwować różne niezwykłe zjawiska takie jak nadprzewodnictwo.

Pierwsze doświadczenie z wytworzeniem kondensatu dotyczyło atomów rubidu schłodzonych prawie do zera absolutnego. Po lewej stronie - dane dotyczące rozkładu prędkości atomów przed pojawieniem się kondensacji, w środku - bezpośrednio po, po prawej - po pewnym czasie. (Ilustracja: R. Zhang.)

Od teoretycznego postulowania kondensatu w 1925 roku do jego pierwszego odkrycia w laboratorium minęło 60 lat, ale nadal jest mu bardzo daleko do zdobycia wszystkich szczytów związanych z tym zjawiskiem. W szczególności kondensat otrzymano w oparciu o atomy rubidu w stanie gazowym, chociaż znacznie lepiej byłoby poradzić sobie z fotonami. Oprócz znaczenia czysto teoretycznego, taki wynik mógłby znaleźć także zastosowanie – w laserach o nietypowych właściwościach czy nawet nowych typach ogniw słonecznych.

Ale czy fotony mogą się „kondensować”? Cząstki światła nie mają masy, ale jej obecność wydaje się być kluczowym warunkiem otrzymania kondensatu Bosego-Einsteina. Aby przezwyciężyć tę trudność, fizycy próbowali uwięzić światło we wnęce optycznej pomiędzy dwiema równoległymi płytkami odbijającymi światło, co spowodowałoby, że fotony zachowywałyby się tak, jakby miały masę. Aby światło nie uciekało z takiej pułapki, jej ścianki powinny być lekko zakrzywione.

W 2010 roku wykazano eksperymentalnie, że stworzenie takiej pułapki jest całkiem możliwe, jednak pozostały poważne problemy z interpretacją wyników takich eksperymentów. Aby mieć do nich zaufanie, trzeba było spełnić kilka specyficznych wymagań. Po pierwsze, cały system musi być dwuwymiarowy, absolutnie płaski, co jest bardzo trudne do zrealizowania w trójwymiarowym świecie. Po drugie, trzeba mieć pewność, że ośrodek pomiędzy fotonami (i nie jest to powietrze) nie wpływa na ich „kondensację” podczas chłodzenia.

Oprócz trzech stanów skupienia znanych każdemu siódmoklasiście (stałego, ciekłego i gazowego) istnieją jeszcze inne stany skupienia. Jednym z nich jest kondensat Bosego, czyli stan materii osiągany w temperaturach bliskich zera absolutnego. W tym stanie substancja zaczyna wykazywać różne ciekawe właściwości, np. grupa cząstek zachowuje się jak pojedyncza cząstka. Możliwość wystąpienia takiego stanu przepowiedział w 1925 roku Albert Einstein. W 1995 roku amerykańscy fizycy Eric Cornell i Carl Wieman przeprowadzili eksperyment, w wyniku którego uzyskali kondensat Bosego-Einsteina (za to odkrycie otrzymali wraz z Niemcem Wolfgangiem Ketterle w 2001 roku Nagrodę Nobla).

W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali atomy metalu (rubidu). Jednak pomysł stworzenia kondensatu Bosego-Einsteina z innych cząstek, w szczególności fotonów, tak aby układ zachowywał się jak pojedynczy „superfoton”, napotkał zasadniczy problem. Faktem jest, że fotony, choć mają właściwości cząstek, zostały w trakcie chłodzenia zaabsorbowane przez otaczające materiały, ujawniając tym samym ich falową naturę.

Fizykom z Uniwersytetu w Bonn pod przewodnictwem Martina Weitza udało się rozwiązać ten problem.

Ponadto utworzyli kondensat Bosego-Eysteina w temperaturze pokojowej.

W jednym z opisów tej pracy pojawia się np. sformułowanie „mała sensacja”. Zoran Hadzibabić z Uniwersytetu Cambridge powiedział New Scientist, że praca niemieckich naukowców, która opublikowane w Naturze„zamyka koło, które Bose i Einstein teoretycznie zaczęli rysować 85 lat temu”.

Volker Lannert z Uniwersytetu w Bonn

Na podziw zasługuje także prostota układu eksperymentalnego niemieckiego fizyka. W swoim eksperymencie wykorzystali dwa wysoce odblaskowe zwierciadła wklęsłe oddalone od siebie o 1 mikron (10–6 metrów). Lustra umieszczono w „barwniku” – czerwonym, płynnym ośrodku organicznym. Eksperymentatorzy wprowadzili do tego środowiska impulsowe zielone wiązki lasera. Światło wielokrotnie odbite od lusterek przeszło przez „barwnik”. Jednocześnie cząsteczki „barwnika” absorbowały fotony lasera i emitowały je ponownie z niższą energią, w żółtym obszarze widzialnego koloru. Oznacza to, że naukowcy osiągnęli w swojej pułapce stan równowagi energetycznej fotonów w temperaturze pokojowej.

„W trakcie tego procesu fotony schładzano do temperatury pokojowej bez utraty” – wyjaśnił Martin Weitz.

Zwiększając liczbę fotonów w instalacji (w tym celu konieczne było rozjaśnienie lasera), naukowcy osiągnęli gęstość około biliona fotonów na centymetr sześcienny. Przy takiej gęstości pojawiły się fotony, które nie mogły uczestniczyć w równowadze energetycznej. Te nadmiarowe fotony jednocześnie stały się kondensatem Bosego-Einsteina i skondensowały się w jeden duży „superfoton”. „Wszystkie fotony zaczęły iść obok siebie” – Weitz skomentował to zjawisko.

W porównaniu z tworzeniem się kondensatu Bosego-Einsteina ze schłodzonych atomów rubidu, obecny eksperyment wydaje się śmiesznie prosty” powiedział Nature News Matthias Weidemuller z Uniwersytetu we Freibergu. Uważa on, że zaproponowana przez niemieckich naukowców technika kondensacji światła może być szczególnie skuteczna w gromadzeniu i skupianiu światła słonecznego w panelach słonecznych przy pochmurnej pogodzie, gdy nie można zebrać światła bezpośredniego.

Ponadto schemat ten może umożliwić stworzenie nowych źródeł krótkofalowego promieniowania laserowego, w szczególności rentgenowskiego.

Sam Waitz wierzy, że praca jego i jego współpracowników może pomóc w dalszym zmniejszaniu rozmiarów urządzeń elektronicznych, w szczególności mikrochipów komputerowych. To z kolei mogłoby pozwolić na stworzenie nowej generacji komputerów o większej wydajności niż obecne.

Cóż, Wolfgang Ketterle, jeden z laureatów Nagrody Nobla za wytworzenie kondensatu Bosego-Einsteina z atomów rubidu, powiedział: „Kiedy wygłaszam wykład, mówię studentom, dlaczego kondensatu Bosego-Einsteina nie można otrzymać za pomocą fotonów, aby pokazać podstawowe różnica między fotonami i atomami. Ale teraz ta różnica zniknęła.”

Teoria istnienia materii nadciekłej powstała w pierwszej tercji XX wieku, ale naukowcom udało się ją uzyskać dopiero 70 lat później.

Stosunkowo niedawno naukowcom udało się uzyskać hipotetyczny kondensat Bosego-Einsteina oparty na fotonach. Jest mało prawdopodobne, aby ta wiadomość miała jakiekolwiek znaczenie dla zwykłego człowieka, ale w świecie nauki to odkrycie jest uważane za wyjątkowe. Jaki jest sens?

Kondensat Bosego-Einsteina przewidział Albert Einstein w 1925 roku na podstawie prac indyjskiego fizyka Bosego. Kondensat to specyficzna forma materii, jej nowy, piąty stan. Nie jest to ciecz, gaz, ciało stałe ani plazma. Kiedy substancja przyjmuje tę formę, wykazuje efekty kwantowe. Substancja staje się nadciekła. Wszystkie jego atomy poruszają się zgodnie. Zasadniczo kondensat staje się jedną dużą cząstką kwantową.

Teoria istnienia materii nadciekłej powstała w pierwszej tercji XX wieku, ale naukowcom udało się ją uzyskać dopiero 70 lat później. Powodem było to, że cząstki materii musiały zachowywać się jak pojedynczy układ kwantowy, aby wytworzyć rzekomy kondensat. Aby to zrobić, należało je schłodzić do temperatury poniżej zera absolutnego (-273,15 stopnia Celsjusza) o kilka milionowych stopnia. Takie temperatury nazywane są nanokelwinami. Są ponad milion razy niższe od temperatury przestrzeni międzygwiazdowej.

W tamtych latach fizycy po prostu nie wiedzieli, jak osiągnąć tak niskie temperatury. Ponadto większość substancji schłodzonych do zera absolutnego zaczyna zachowywać się jak ciecze. Aby otrzymać kondensat Bosego-Einsteina, substancja musi pozostać „gazem”, to znaczy nie tracić mobilności.

W połowie lat 90. XX wieku okazało się, że metale alkaliczne, sód i rubid, po ochłodzeniu zachowują niezbędne właściwości, aby zamienić się w kondensat. Aby obniżyć temperaturę atomów rubidu do wymaganych ultraniskich wartości, badacze zastosowali chłodzenie laserowe w połączeniu z chłodzeniem wyparnym.

Jednak w 2010 roku niemieccy naukowcy z Uniwersytetu w Bonn uzyskali kondensat Bosego-Einsteina z fotonów znajdujących się już w temperaturze pokojowej. Jak oni to zrobili? Do eksperymentu wykorzystano kamerę z dwoma zakrzywionymi lustrami. Pusta przestrzeń między nimi stopniowo wypełniała się fotonami. W pewnym momencie wystrzelone fotony utraciły swój stabilny stan, w przeciwieństwie do cząstek, które znajdowały się wcześniej. Takie fotony zaczęły się kondensować i przechodzić w piąty stan skupienia. Oznacza to, że naukowcy uzyskali kondensat Einsteina-Bose'a w temperaturze pokojowej, bez chłodzenia.

Substancje nadciekłe można wykorzystać w szerokim zakresie problemów. Na przykład w laserze atomowym. Fotony w konwencjonalnym laserze mają tę samą energię, fazę i długość fali. Jeżeli przyjmą one stan kondensatu, wówczas możliwe jest uzyskanie promieniowania w celu efektywniejszej pracy lasera. Ponadto metoda wytwarzania kondensatu z fotonów może znaleźć zastosowanie w energetyce słonecznej. Dzięki temu w przyszłości możliwe będzie zwiększenie wydajności ogniw słonecznych przy pochmurnej pogodzie.

Kondensat Bosego-Einsteina – piąty stan skupienia

Kondensat Bosego-Einsteina to specyficzny stan skupienia, stan skupienia materii, który jest reprezentowany głównie przez bozony w warunkach ultraniskich temperatur.

Jest to stan skondensowany gazu Bosego – gazu składającego się z bozonów i podlegającego efektom mechaniki kwantowej.

W 1924 roku indyjski fizyk Satyendra Nath Bose zaproponował statystykę kwantową do opisu bozonów, cząstek o spinie całkowitym, które również nazwano jego imieniem. W 1925 roku Albert Einstein uogólnił prace Bose'a, stosując swoje statystyki do układów składających się z atomów o spinie całkowitym. Takie atomy obejmują na przykład atomy helu-4. W przeciwieństwie do fermionów bozony nie podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego, co oznacza, że ​​w tym samym stanie kwantowym może istnieć wiele bozonów.

Statystyka Bosego-Einsteina może opisywać rozkład cząstek o spinie całkowitym lub zerowym. Ponadto cząstki te nie powinny oddziaływać i powinny być identyczne, czyli nie do odróżnienia.

Kondensat Bosego-Einsteina

Kondensat Bosego-Einsteina to gaz składający się z cząstek lub atomów o spinie całkowitym. Jak wiadomo, cząstki potrafią przyjmować kilka stanów kwantowych jednocześnie – są to tzw. efekty kwantowe. Według prac Einsteina wraz ze spadkiem temperatury liczba stanów kwantowych dostępnych cząstce będzie się zmniejszać. Dzieje się tak dlatego, że wraz ze spadkiem temperatury cząstki będą coraz bardziej preferować najniższe stany energetyczne. Biorąc pod uwagę, że bozony mogą znajdować się w tym samym stanie w tym samym czasie, wraz ze spadkiem temperatury przejdą one do tego samego stanu.

Zatem kondensat Bosego-Einsteina będzie składał się z wielu nieoddziałujących cząstek, które są w tym samym stanie. Warto zauważyć, że również wraz ze spadkiem temperatury falowy charakter cząstek będzie coraz bardziej widoczny. Na wyjściu będziemy mieli jedną falę mechaniki kwantowej w makroskali.

Dane dotyczące rozkładu prędkości (3 typy) gazu złożonego z atomów rubidu, potwierdzające odkrycie nowej fazy tej substancji, kondensatu Bosego-Einsteina. Po lewej: przed pojawieniem się kondensatu Bosego-Einsteina. Środek: natychmiast po pojawieniu się kondensacji. Po prawej: Po dalszym odparowaniu, pozostawiając próbkę prawie czystego kondensatu.

Jak otrzymać kondensat Bosego-Einsteina?

Po raz pierwszy taki stan agregacji osiągnęli w 1995 roku amerykańscy fizycy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii – Eric Cornell i Karl Wieman. W eksperymencie wykorzystano technologię chłodzenia laserowego, dzięki której możliwe było obniżenie temperatury próbki do 20 nanokelwinów. Jako materiał na gaz zastosowano rubid-87, którego 2 tysiące atomów przeszło w stan kondensatu Bosego-Einsteina. Cztery miesiące później niemiecki fizyk Wolfgang Ketterle również uzyskał kondensat w znacznie większych ilościach. Tym samym naukowcy potwierdzili eksperymentalnie możliwość osiągnięcia „piątego stanu agregacji” w ultraniskich temperaturach, za co w 2001 roku otrzymali Nagrodę Nobla.

W 2010 roku niemieccy naukowcy z Uniwersytetu w Bonn pod kierunkiem Martina Weitza uzyskali kondensat Bosego-Einsteina z fotonów w temperaturze pokojowej. Wykorzystano do tego kamerę z dwoma zakrzywionymi zwierciadłami, których przestrzeń pomiędzy nimi stopniowo wypełniano fotonami. W pewnym momencie fotony „wystrzelone” do wnętrza nie mogły już osiągnąć stanu równowagi energetycznej, w przeciwieństwie do fotonów znajdujących się tam wcześniej. Te „dodatkowe” fotony zaczęły się kondensować, przechodząc do tego samego najniższego stanu energetycznego, tworząc w ten sposób piąty stan agregacji. Oznacza to, że naukowcom udało się uzyskać kondensat z fotonów w temperaturze pokojowej, bez chłodzenia.

Już w 2012 roku udało się uzyskać kondensat z wielu innych izotopów, w tym z izotopów sodu, litu, potasu itp. Natomiast w 2014 roku pomyślnie przetestowano instalację do wytwarzania kondensatu, która w 2017 roku zostanie wysłana na Międzynarodową Stację Kosmiczną do prowadzenia eksperymentów w warunkach zerowej grawitacji.

Zastosowanie kondensatu

Chociaż zjawisko to jest trudne do wyobrażenia, jak każdy efekt kwantowy, substancja taka może znaleźć zastosowanie w szerokim zakresie problemów. Jednym z przykładów zastosowania kondensatu Bosego-Einsteina jest laser atomowy. Jak wiadomo, promieniowanie emitowane przez laser jest spójne. Oznacza to, że fotony takiego promieniowania mają tę samą energię, fazę i długość fali. Jeżeli fotony znajdują się w tym samym stanie mechaniki kwantowej, jak ma to miejsce w przypadku kondensatu Bosego-Einsteina, wówczas możliwa jest synchronizacja tej schłodzonej substancji w celu uzyskania promieniowania dla wydajniejszego lasera. Taki laser atomowy powstał w 1997 roku pod przewodnictwem Wolfganga Ketterle, jednego z pierwszych naukowców, którzy stworzyli kondensat.

W energetyce słonecznej można zastosować metodę wytwarzania kondensatu z fotonów, którą niemieccy naukowcy zastosowali w 2010 roku. Według części fizyków poprawi to wydajność ogniw słonecznych w pochmurnych warunkach pogodowych.

Kondensat Bosego-Einsteina - wizualizacja graficzna

Ponieważ kondensat Bosego-Einsteina otrzymano stosunkowo niedawno, zakres jego zastosowania nie został jeszcze dokładnie określony. Jednak według różnych naukowców kondensat może być przydatny w wielu obszarach, od sprzętu medycznego po komputery kwantowe.

Gdy tylko mówimy „mechanika kwantowa”, wyobrażamy sobie cząstki elementarne, atomy lub coś podobnego. W rzeczywistości wzory mechaniki kwantowej mają szerokie zastosowanie do ciał makroskopowych. Najważniejsze jest to, że ciała te nie wchodzą w interakcję ze światem zewnętrznym, dzięki czemu są od niego idealnie odizolowane.

To nie przypadek, że naukowcy szczególnie interesują się ostatnio obiektami makroskopowymi, które zachowują się zgodnie z prawami świata kwantowego. Przykładem tego jest kondensat Bosego-Einsteina, maleńka chmura wielu atomów schłodzona do bardzo niskiej temperatury – sięgającej miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, kiedy ruch termiczny praktycznie się zatrzymuje. Taka chmura będąc w pułapce magnetycznej dosłownie zachowuje się jak jeden wielki „atom”. Poszczególne atomy, które go tworzyły, tracą swoją wolność; przestają być od siebie niezależni. „Atomy dotrzymują kroku” – jak trafnie stwierdzono w jednym z artykułów poświęconych temu zjawisku. Powstały makroskopowy obiekt kwantowy osiąga średnicę kilku mikrometrów; jest wielokrotnie większy niż zwykły atom. Teraz ten obiekt jako całość reaguje na każdy wpływ, choć prawie nie ma sił łączących je między jego poszczególnymi atomami.

Chmura atomów schłodzona do niesamowitej temperatury zaczyna „dotrzymywać kroku” – pojawia się kondensat Bosego-Einsteina.

Dziwny świat atomów. Po lewej: Atomy sodu i jodu na powierzchni miedzianego podłoża. Po prawej: „ściana” zbudowana z atomów żelaza na miedzianym podłożu

„Zwykle wszystkie atomy migoczą, pędzą we wszystkich kierunkach, ale jeśli mocno je ochłodzisz, nagle zaczną maszerować w szyku, jak armia. Różnica jest prawie taka sama, jak między żarówką a laserem: w żarówce wszystkie cząsteczki światła pędzą w różnych kierunkach, ale w laserze maszerują. Udało nam się więc zbudować laser, który emituje nie światło, ale materię. Właściwie wszystko jest bardzo proste, prawda?” - Niemiecki fizyk Wolfgang Ketterle, który później otrzymał Nagrodę Nobla za badania tego kondensatu, który reprezentował... nowy stan materii, żartobliwie wyjaśnił istotę odkrycia.

Substancje wokół nas występują w postaci płynnej, stałej lub gazowej. Teoria dopuszcza jednak inne stany agregacji. Na przykład wszystkie atomy substancji mogą skondensować się na najniższym poziomie energii. Taki obiekt powinien był zareagować na jakiekolwiek oddziaływanie jako pojedyncza całość, choć nic nie łączy jego cząstek. Jego zachowanie można opisać za pomocą pojedynczej funkcji falowej. To dziwne zjawisko przepowiedział w połowie lat dwudziestych XX wieku Albert Einstein, analizując obliczenia przeprowadzone przez indyjskiego fizyka Shatyendranatha Bose'a. Ta metamorfoza musi nastąpić w pobliżu zera absolutnego w skali Kelvina.

Przygotowywany jest eksperyment mający na celu schłodzenie substancji prawie do zera absolutnego i otrzymanie kondensatu Bosego-Einsteina

W rzeczywistości podobny stan zaobserwowano później, ale nie można było go uzyskać w czystej postaci. Zatem w nadprzewodnikach część elektronów występuje w postaci kondensatu Bosego-Einsteina. W nadciekłym helu niektóre atomy również zachowują się jak pojedyncza całość.

Na początku lat dziewięćdziesiątych kilka laboratoriów naukowych „polowało” na kondensat Bosego-Einsteina. Droga do niego prowadziła przez obszar materiałów nadprzewodzących. Następny znak na ścieżce naukowców: 4,2 kelwina (około -269°C). W tej temperaturze hel staje się cieczą. W temperaturze 2 Kelwinów staje się nadciekły, to znaczy bez tarcia wnika w najcieńsze kapilary.

Właściwa dziedzina fizyki ultraniskich temperatur zaczyna się w temperaturach poniżej 2 Kelvinów. Do połowy lat 90. fizycy udoskonalili technologię chłodzenia do tego stopnia, że ​​odkrycie nowego stanu materii wydawało się nieuniknione.

Oto jedna z metod - tzw. chłodzenie laserowe. Gaz przetrzymywany jest w pułapce magnetycznej i kierowana jest na niego wiązka lasera. Pochłania część energii kinetycznej atomów, co powoduje obniżenie temperatury gazu. W przepływie kwantów świetlnych atomy gazu ulegają spowolnieniu niczym w „syropie optycznym”. W podobny sposób na początku 1995 roku udało się schłodzić gaz zawierający atomy cezu do temperatury 700 nanokelwinów, czyli 0,0000007 kelwina.

Wszystko jest gotowe do uzyskania kondensatu Bosego-Einsteina

Ale rekord nie trwał długo. W tym samym roku amerykańscy fizycy Eric Cornell i Carl Wyman z National Institute of Standards and Technology (Kolorado) najpierw schłodzili gaz powstały z atomów rubidu do 200 nanokelwinów, a nieco później pobili ten rekord temperatury. Wybór gazu odegrał ważną rolę. Ze względu na swój rozmiar atomy rubidu łatwiej jest schłodzić niż na przykład wodór. Ponadto podczas pracy z nimi łatwiej jest wykryć kondensację. W przypadku wodoru gaz może się skroplić i nikt tego nie zauważy.

Gaz rubidowy został wstępnie schłodzony za pomocą laserów, a następnie za pomocą ukierunkowanych fal radiowych usunięto z pułapki magnetycznej najgorętsze atomy. „Stało się to mniej więcej tak samo, jak w przypadku schłodzonej filiżanki kawy, w wyniku której najgorętsze części napoju wyparowały” – wyjaśnia Eric Cornell.

Wreszcie, w temperaturze 170 nanokelwinów, nadszedł długo oczekiwany moment: rubid zaczął się kondensować, a jego gęstość gwałtownie wzrosła. Coraz więcej atomów zajmowało najkorzystniejszą pozycję energetyczną, zamiast rozkładać się na różnych poziomach, co jest typowe dla zwykłego gazu. W środku pułapki zgromadziło się dwa tysiące atomów. Ich prędkość i kierunek ruchu były takie same. Stan ten trwał około piętnastu sekund.

„Kiedy odkrywcy zdali sobie sprawę, jaką ofiarę złapali, wszyscy byli przepełnieni niesamowitym podekscytowaniem. Przecież ta wiązka atomów wcale nie była zwykłym gazem! Chodziło o nową formę substancji, której przypisywano dziwne właściwości.” Latem 1995 roku strony wielu gazet były pełne podobnych wiadomości.

Wczesne komentarze na temat tego eksperymentu sugerowały, że kondensat Bosego-Einsteina może ustanowić nowy standard pomiaru czasu. Że może przewodzić ciepło lepiej niż metal. Że jeśli go skupisz, otrzymasz wiązkę przypominającą laser. Taka wiązka mogłaby stać się potężną bronią dla nanotechnologów. Dzięki niemu można byłoby produkować znacznie mniejsze mikroukłady niż obecnie.

„Wkroczyliśmy w zupełnie nowy obszar badań” – przyznał w jednym z pierwszych wywiadów przyszły laureat Nagrody Nobla Eric Cornell. – Otwierają się przed nami bardzo ciekawe zjawiska. Myślę, że w nadchodzących latach fizyka ultraniskich temperatur doświadczy renesansu.”

Od 1995 roku fizycy potrafią wytworzyć kondensat Einsteina-Bose'a z atomów rubidu, sodu, wodoru i helu. We wszystkich przypadkach składał się z bozonów – kwazicząstek o spinie całkowitym (wewnętrznym momencie pędu), starających się znajdować jak najbliżej siebie.

W 1999 roku po raz pierwszy otrzymano także kondensat fermionów – cząstek o spinie półcałkowitym, które starają się trzymać od siebie z daleka. W tym przypadku kondensat zawierał atomy potasu. Połączyły się parami, tworząc rodzaj dwuatomowych cząsteczek o pełnym spinie.

Przypominało to pojawienie się w nadprzewodnikach tzw. par Coopera, czyli par elektronów, które potrafią pokonać wzajemne odpychanie. W komentarzach ekspertów podkreślono: „Gdyby możliwe było przekształcenie kondensatu fermionów w stan stały, powstała substancja mogłaby mieć właściwości nadprzewodnika wysokotemperaturowego”.

„Badania kondensatów fermionów mogą znacznie przyspieszyć badania w dziedzinie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, gdyż mechanizm powstawania par atomów jest taki sam jak powstawania par Coopera, ale atomy są znacznie bardziej odporne na wpływ wysokich temperatur” – napisał dziennikarz „Izwiestii” Piotr Obrazcow.

Trwa eksperyment z kondensatem Bosego-Einsteina

Wreszcie w kwietniu 2001 roku pojawiły się doniesienia, że ​​pracownicy Rice University (Houston, Teksas) uzyskali specjalny stan skupienia: zawierał on jednocześnie kondensaty bozonowe i fermionowe.

Grupa naukowców pod przewodnictwem Randalla Huleta przeprowadziła eksperymenty z mieszaniną zawierającą izotopy litu-6 i litu-7. Atomy tego ostatniego zachowują się jak bozony, ponieważ składają się z parzystej liczby pierwiastków: czterech neutronów, trzech protonów i trzech elektronów. Atomy litu-6 należą do fermionów. Składają się z nieparzystej liczby cząstek: trzech neutronów, trzech protonów i trzech elektronów. Dwa identyczne fermiony nie mogą znajdować się w tym samym miejscu, poruszać się z tą samą prędkością ani w tym samym kierunku.

Na monitorze skaningowego mikroskopu tunelowego widoczne są góry zbudowane z atomów

Kiedy chmura atomowa została ochłodzona do jednej milionowej stopnia Kelvina, atomy litu-7 znajdowały się w samym środku pułapki magnetycznej; utworzyły zwartą chmurę o średnicy około pół milimetra. Przy dalszym chłodzeniu szybko się zmniejszało. Chmura fermionowa była rozproszona, a jej wielkość różniła się nieznacznie. Poddawano je tzw. ciśnieniu Fermiego, które zapobiegało gromadzeniu się atomów w środku pułapki nawet w tak niskiej temperaturze. Amerykańscy naukowcy sugerują, że nawet w niższych temperaturach chmury fermionowe i bozonowe unikają się nawzajem i mają tendencję do oddalania się. Podobne zjawisko zaobserwowano także w mieszaninie ciekłego helu-3 i helu-4.

Interesujące są również inne badania kondensatu Bosego-Einsteina.

W ten sposób Eric Cornell i Carl Wyman w eksperymencie z kondensatem atomów izotopu rubidu uzyskali szybką zmianę sił przyciągania i odpychania atomów. Doprowadziło to do niemal wybuchowej ekspansji kondensatu, przypominającej eksplozję supernowej. Naukowcy nazwali ten proces: „Bose-Nova”.

Niemieccy fizycy Josef Fortag i Theodor Hensch, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2005 roku, niezależnie wyprodukowali mikroukład, którym można sterować za pomocą kropli kondensatu Bosego-Einsteina. Za jego pomocą możesz gromadzić i przekazywać informacje.

Wolfgang Ketterle pokazał, że z kondensatu Bosego-Einsteina można „wyrwać” kawałki. Umożliwi to zbudowanie lasera atomowego, który będzie generował promieniowanie z materii, a nie ze światła. Kondensat jest idealną falą materii, tak jak światło lasera jest idealną falą elektromagnetyczną. Jego poszczególne atomy można opisać funkcją falową, podobnie jak światło spójne. Jednak długość fali atomów jest znacznie krótsza niż długość fali światła. Za pomocą lasera atomowego możesz tworzyć najdrobniejsze struktury, poruszając atomy z nanometrową precyzją. Odkrycie to przyniesie wymierny postęp w nanotechnologii. Przewagą laserów atomowych nad tradycyjną optyką świetlną jest ich niezwykle duża dokładność. „Zastosowanie lasera atomowego” – mówi Theodor Hensch – „jest, o ile mi wiadomo, najprecyzyjniejszą metodą manipulowania atomami i przemieszczania ich w ukierunkowany sposób”.

„Zastosowanie lasera atomowego” – mówi Theodor Hensch – „jest... najbardziej precyzyjną metodą manipulowania atomami i przemieszczania ich w celowy sposób”.

„Kondensat Bosego-Einsteina” – zauważa Ketterle – „otwiera drogę do tworzenia i badań zupełnie nowych materiałów”. Zatem płaskie paski czy wstęgi kondensatu „mają zupełnie inne właściwości niż obiekty trójwymiarowe. To zupełnie inna fizyka.”

Kondensat idealnie nadaje się do eksperymentalnych badań właściwości układów kwantowych. Ponadto można go uznać za model układów makroskopowych, w których wiele cząstek zmuszonych jest do wzajemnego oddziaływania. Można zatem stworzyć „siatkę optyczną” fal świetlnych i umieścić w niej kondensat Bosego-Einsteina. Rezultatem będzie swego rodzaju obiekt, w którym schłodzone atomy gazu będą rozmieszczone ściśle w określonych punktach przestrzeni – prawie jak atomy w sieci krystalicznej. Ten ekstremalnie schłodzony gaz można wykorzystać w eksperymentach laboratoryjnych jako uproszczony model ciała stałego. Być może eksperymenty z kondensatami Bosego-Einsteina pomogą w końcu dokładnie opisać mechanizm powstawania nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Pozostaje dodać, że według gazety „Izwiestia” „najwięksi rosyjscy specjaliści od kondensatów Bosego-Einsteina pracują za granicą: akademik Władimir Zacharow w USA, akademik Lew Pitajewski we Włoszech. W Rosji nie ma eksperymentów w tym zakresie.”