Bose Eynshteyn kondensati. Materiya holatlari - Bose-Eynshteyn kondensati. Bose-Eynshteyn kondensati bilan tajriba o'tkazilmoqda

Umuman olganda, zarralarni fermionlar va bozonlarga bo'lish mumkin (yarim butun va butun spinli). Bozonlarni mutlaq nolga yaqin haroratgacha sovutganda, ular Bose-Eynshteyn kondensati deb nomlanuvchi materiyaning kollektiv holatiga kondensatsiyalanishi mumkin, bu erda juda ko'p miqdordagi atomlar bir xil kvant holatida bo'ladi, bu sizga turli xil noodatiy hodisalarni kuzatish imkonini beradi. o'ta o'tkazuvchanlik kabi hodisalar.

Kondensat olish bo'yicha birinchi tajriba deyarli mutlaq nolga sovutilgan rubidiy atomlari bilan bog'liq edi. Chapda - kondensatsiya paydo bo'lishidan oldin atom tezligining taqsimlanishi to'g'risidagi ma'lumotlar, markazda - darhol keyin, o'ngda - bir muncha vaqt o'tgach. (Rasm: R. Chjan.)

1925 yilda kondensatning nazariy postulatsiyasidan laboratoriyada birinchi kashfiyotigacha 60 yil o'tdi, ammo u hali ham bu hodisa bilan bog'liq barcha cho'qqilarni zabt etishdan juda uzoqdir. Xususan, kondensat gaz holatidagi rubidiy atomlari asosida olingan, garchi fotonlar bilan ishlash ancha yaxshi bo'lar edi. Sof nazariy ahamiyatga ega bo'lganidan tashqari, bunday natija g'ayrioddiy xususiyatlarga ega lazerlarda yoki hatto quyosh batareyalarining yangi turlarida ham qo'llanilishi mumkin.

Ammo fotonlar "kondensatsiyalanishi" mumkinmi? Yorug'lik zarralari massaga ega emas, ammo uning mavjudligi Bose-Eynshteyn kondensatini olish uchun asosiy talab bo'lib tuyuladi. Ushbu qiyinchilikni bartaraf etish uchun fiziklar yorug'likni optik bo'shliqda, ikkita parallel yorug'likni aks ettiruvchi plastinkalar orasida ushlab turishga harakat qilishdi, bu esa fotonlarni xuddi massasi bordek tutishga majbur qiladi. Bunday tuzoqdan yorug'lik qochib ketishining oldini olish uchun uning devorlari biroz egilgan bo'lishi kerak.

2010 yilda bunday tuzoqni yaratish juda mumkinligi eksperimental ravishda ko'rsatildi, ammo bunday tajribalar natijalarini talqin qilishda jiddiy muammolar saqlanib qoldi. Ularga ishonch hosil qilish uchun bir nechta aniq talablarga rioya qilish kerak edi. Birinchidan, butun tizim ikki o'lchovli, mutlaqo tekis bo'lishi kerak, bu uch o'lchovli dunyoda amalga oshirish juda qiyin. Ikkinchidan, fotonlar orasidagi vosita (va bu havo emas) sovutish paytida ularning "kondensatsiyasiga" ta'sir qilmasligiga ishonch hosil qilishingiz kerak.

Har bir yettinchi sinf o‘quvchisiga ma’lum bo‘lgan moddaning uchta holatidan tashqari (qattiq, suyuq va gaz) moddalarning boshqa holatlari ham mavjud. Ulardan biri Bose kondensati bo'lib, materiya holati mutlaq nolga yaqin haroratlarda erishiladi. Bu holatda modda turli xil qiziqarli xususiyatlarni namoyon qila boshlaydi, masalan, zarralar guruhi o'zini bitta zarracha kabi tutadi. Bunday davlatning paydo bo'lish ehtimoli 1925 yilda Albert Eynshteyn tomonidan bashorat qilingan. 1995 yilda amerikalik fiziklar Erik Kornel va Karl Viman eksperiment o'tkazdilar, unda Bose-Eynshteyn kondensatini oldilar (ular ushbu kashfiyot uchun nemis Volfgang Ketterle bilan birgalikda 2001 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi).

O'z tajribasida olimlar metall atomlaridan (rubidiy) foydalanganlar. Ammo boshqa zarralardan, xususan, fotonlardan Bose-Eynshteyn kondensatini yaratish g'oyasi, tizim o'zini bitta "superfoton" kabi tutishi uchun asosiy muammoga duch keldi. Gap shundaki, fotonlar, garchi ular zarracha xossalariga ega bo'lsalar ham, sovutish paytida atrofdagi materiallar tomonidan so'riladi va shu bilan ularning to'lqin tabiatini ochib beradi.

Martin Veyts boshchiligidagi Bonn universiteti fiziklari bu muammoni hal qilishga muvaffaq bo'lishdi.

Bundan tashqari, ular xona haroratida Bose-Eystein kondensatini yaratdilar.

Ushbu asarning tavsiflaridan birida, masalan, "kichik sensatsiya" kabi ibora mavjud. Zoran Hadzibabić, Kembrij universitetidan dedi New Scientist nashriga, nemis olimlarining ishi, qaysi Nature jurnalida chop etilgan, "Bose va Eynshteyn nazariy jihatdan 85 yil oldin chizishni boshlagan doirani yopadi."

Volker Lannert, Bonn universiteti

Nemis fiziklarining eksperimental qurilmasining soddaligi ham hayratga loyiqdir. O'z tajribalarida ular bir-biridan 1 mikron (10 -6 metr) masofada joylashgan ikkita yuqori aks ettiruvchi konkav oynadan foydalanganlar. Ko'zgular "bo'yoq" - qizil rangli suyuq organik muhitga joylashtirilgan. Tajribachilar bu muhitga yashil lazer nurlarini pulsatsiya qilishdi. Ko'zgulardan qayta-qayta aks ettirilgan yorug'lik "bo'yoq" dan o'tdi. Shu bilan birga, "bo'yoq" molekulalari lazer fotonlarini o'zlashtirdi va ularni kamroq energiya bilan, ko'rinadigan rangning sariq mintaqasida qayta chiqaradi. Ya'ni, olimlar o'zlarining tuzoqlarida xona haroratida fotonlarning muvozanat energiya holatiga erishdilar.

"Ushbu jarayon davomida fotonlar yo'qolmasdan xona haroratiga qadar sovutildi", deb tushuntirdi Martin Veyts.

O'rnatishdagi fotonlar sonini ko'paytirish orqali (buning uchun lazerni yorqinroq qilish kerak edi) olimlar kub santimetr uchun taxminan trillion foton zichligiga erishdilar. Bunday zichlikda energiya muvozanatida ishtirok eta olmaydigan fotonlar paydo bo'ldi. Bu ortiqcha fotonlar bir vaqtning o'zida Bose-Eynshteyn kondensatiga aylandi va bitta katta "superfoton" ga kondensatsiyalandi. "Barcha fotonlar yonma-yon yura boshladilar", dedi Veyts bu hodisaga izoh berdi.

Sovutilgan rubidiy atomlaridan Bose-Eynshteyn kondensatining hosil bo'lishi bilan solishtirganda, hozirgi tajriba kulgili darajada oddiy ko'rinadi. Bu haqda Nature News xabar berdi Frayberg universitetidan Mattias Vaydemuller. Uning fikricha, nemis olimlari tomonidan taklif qilingan yorug‘lik kondensatsiyasi texnikasi, ayniqsa, bulutli ob-havo sharoitida, to‘g‘ridan-to‘g‘ri yorug‘likni to‘plash mumkin bo‘lmaganda quyosh panellarida quyosh nurini to‘plash va fokuslash uchun samarali bo‘lishi mumkin.

Bundan tashqari, ushbu sxema qisqa to'lqinli lazer nurlanishining yangi manbalarini, xususan, rentgen nurlarini yaratishga imkon beradi.

Ueytsning o'zi, uning va uning hamkasblarining ishi elektron qurilmalar, xususan, kompyuter mikrochiplari hajmini yanada kamaytirishga yordam berishiga ishonadi. Bu esa, o‘z navbatida, hozirgilaridan ko‘ra ko‘proq unumdorlikka ega yangi avlod kompyuterlarini yaratish imkonini berishi mumkin.

Rubidiy atomlaridan Bose-Eynshteyn kondensatini ishlab chiqarish bo'yicha Nobel mukofoti sovrindorlaridan biri bo'lgan Volfgang Ketterle shunday dedi: "Men ma'ruza o'qiyotganimda, men talabalarga nega Bose-Eynshteyn kondensatini fotonlar yordamida olish mumkin emasligini aytaman. fotonlar va atomlar o'rtasidagi farq. Ammo endi bu farq yo'qoldi."

O'ta suyuqlikning mavjudligi haqidagi nazariya 20-asrning birinchi uchdan birida ishlab chiqilgan, ammo olimlar uni faqat 70 yildan keyin olishga muvaffaq bo'lishdi.

Nisbatan yaqinda olimlar fotonlarga asoslangan faraziy Bose-Eynshteyn kondensatini olishga muvaffaq bo'lishdi. Bu yangilik oddiy odam uchun nimani anglatishi dargumon, ammo ilm-fan olamida bu kashfiyot shunchaki noyob hisoblanadi. Buning nima keragi bor?

Bose-Eynshteyn kondensati 1925 yilda Albert Eynshteyn tomonidan hind fizigi Bose ishiga asoslanib bashorat qilingan. Kondensat materiyaning o'ziga xos shakli, uning yangi beshinchi holati. Bu suyuqlik, gaz, qattiq yoki plazma emas. Modda bu shaklni olganida u kvant effektlarini namoyon qiladi. Modda ortiqcha suyuqlikka aylanadi. Uning barcha atomlari birgalikda harakat qiladi. Asosan, kondensat bitta katta kvant zarrasiga aylanadi.

O'ta suyuqlikning mavjudligi haqidagi nazariya 20-asrning birinchi uchdan birida ishlab chiqilgan, ammo olimlar uni faqat 70 yildan keyin qo'lga kiritishga muvaffaq bo'lishdi. Buning sababi shundaki, materiya zarralari taxmin qilingan kondensat hosil qilish uchun yagona kvant tizimi sifatida harakat qilishlari kerak edi. Buning uchun ularni mutlaq noldan past haroratgacha (-273,15 daraja Selsiy) darajaning milliondan bir qismigacha sovutish kerak edi. Bunday haroratlar nanokelvinlar deb ataladi. Ular yulduzlararo fazo haroratidan million martadan ko'proq past.

O'sha yillarda fiziklar bunday past haroratga qanday erishishni bilishmas edi. Bundan tashqari, mutlaq nolga sovutilgan ko'pchilik moddalar suyuqlik kabi harakat qila boshlaydi. Bose-Eynshteyn kondensatini olish uchun modda "gaz" bo'lib qolishi, ya'ni harakatchanligini yo'qotmasligi kerak.

1990-yillarning oʻrtalarida ishqoriy metallar natriy va rubidiy sovutilganda kondensatga aylanishi uchun zarur xossalarini saqlab qolishlari maʼlum boʻldi. Rubidiy atomlarining haroratini kerakli ultra past qiymatlarga tushirish uchun tadqiqotchilar bug'lanishli sovutish bilan birga lazerli sovutishdan foydalanganlar.

Ammo 2010 yilda Bonn universitetining nemis olimlari xona haroratida bo'lgan fotonlardan Bose-Eynshteyn kondensatini olishdi. Ular buni qanday qilishdi? Tajriba uchun ikkita kavisli oynali kamera ishlatilgan. Ularning orasidagi bo'sh joy asta-sekin fotonlar bilan to'ldiriladi. Bir vaqtning o'zida ishga tushirilgan fotonlar, ilgari mavjud bo'lgan zarrachalardan farqli o'laroq, barqaror holatini yo'qotdi. Bunday fotonlar zichlasha boshladi va materiyaning beshinchi holatiga o'tdi. Bu shuni anglatadiki, olimlar Eynshteyn-Bose kondensatini xona haroratida sovutmasdan olishdi.

O'ta suyuqlik moddasi turli xil muammolarni hal qilishda ishlatilishi mumkin. Masalan, atom lazerida. An'anaviy lazerdagi fotonlar bir xil energiya, faza va to'lqin uzunligiga ega. Agar ular kondensat holatini qabul qilsalar, u holda lazerning yanada samarali ishlashi uchun radiatsiya olish mumkin. Bundan tashqari, fotonlardan kondensat olish usuli quyosh energiyasida qo'llanilishi mumkin. Bu kelajakda bulutli ob-havo sharoitida quyosh batareyalarining samaradorligini oshirish imkonini beradi.

Bose-Eynshteyn kondensati - materiyaning beshinchi holati

Bose-Eynshteyn kondensati o'ziga xos agregatsiya holati, materiyaning yig'ilish holati bo'lib, u ultra past harorat sharoitida asosan bozonlar bilan ifodalanadi.

Bu Bose gazining kondensatsiyalangan holati - bozonlardan tashkil topgan va kvant mexanik ta'sirga duchor bo'lgan gaz.

1924 yilda hind fizigi Satyendra Nath Bose bozonlarni, butun spinli zarralarni tasvirlash uchun kvant statistikasini taklif qildi, ular ham uning nomi bilan atalgan. 1925-yilda Albert Eynshteyn Bosening statistik maʼlumotlarini butun spinli atomlardan tashkil topgan tizimlarga qoʻllash orqali uning ishini umumlashtirdi. Bunday atomlarga, masalan, geliy-4 atomlari kiradi. Fermiyonlardan farqli o'laroq, bozonlar Pauli istisno printsipiga bo'ysunmaydi, ya'ni bir xil kvant holatida bir nechta bozon mavjud bo'lishi mumkin.

Bose-Eynshteyn statistikasi butun yoki nol spinli zarrachalarning taqsimlanishini tavsiflashi mumkin. Bundan tashqari, bu zarralar o'zaro ta'sir qilmasligi va bir xil, ya'ni farqlanmasligi kerak.

Bose-Eynshteyn kondensati

Bose-Eynshteyn kondensati butun spinli zarralar yoki atomlardan tashkil topgan gazdir. Ma'lumki, zarralar bir vaqtning o'zida bir nechta kvant holatlarini - kvant effektlari deb ataladigan holatni qabul qilishga qodir. Eynshteynning ishiga ko'ra, harorat pasayganda, zarracha uchun mavjud bo'lgan kvant holatlar soni kamayadi. Buning sababi shundaki, harorat pasayganda zarralar eng past energiya holatlarini afzal ko'radi. Bozonlar bir vaqtning o'zida bir xil holatda bo'lish qobiliyatiga ega ekanligini hisobga olsak, harorat pasayganda ular bir xil holatga o'tadi.

Shunday qilib, Bose-Eynshteyn kondensati bir xil holatda bo'lgan ko'plab o'zaro ta'sir qilmaydigan zarralardan iborat bo'ladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, haroratning pasayishi bilan zarrachalarning to'lqin tabiati ham tobora ko'proq namoyon bo'ladi. Chiqishda biz makromiqyosda bitta kvant mexanik to'lqiniga ega bo'lamiz.

Rubidiy atomlari gazi uchun tezlikni taqsimlash ma'lumotlari (3 turdagi), moddaning yangi fazasi, Bose-Eynshteyn kondensatining kashf etilishini tasdiqlaydi. Chapda: Bose-Einshteyn kondensatining paydo bo'lishidan oldin. Markaz: kondensatsiya paydo bo'lgandan so'ng darhol. O'ngda: keyingi bug'lanishdan so'ng, deyarli toza kondensat namunasini qoldirib.

Bose-Eynshteyn kondensatini qanday olish mumkin?

Agregatsiyaning bunday holatiga birinchi marta 1995 yilda Milliy standartlar va texnologiyalar institutining amerikalik fiziklari - Erik Kornel va Karl Viman erishgan. Tajribada lazerli sovutish texnologiyasi qo'llanildi, buning yordamida namunaning haroratini 20 nanokelvingacha tushirish mumkin edi. Rubidiy-87 gaz uchun material sifatida ishlatilgan, uning 2 ming atomi Bose-Eynshteyn kondensati holatiga o'tgan. To'rt oy o'tgach, nemis fizigi Volfgang Ketterle ham ancha katta hajmdagi kondensatga erishdi. Shunday qilib, olimlar 2001 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan ultra past haroratlarda "agregatsiyaning beshinchi holati" ga erishish imkoniyatini eksperimental ravishda tasdiqladilar.

2010 yilda Bonn universitetining nemis olimlari Martin Vayts boshchiligida xona haroratida fotonlardan Bose-Eynshteyn kondensatini olishdi. Buning uchun ikkita kavisli oynali kamera ishlatilgan, ular orasidagi bo'shliq asta-sekin fotonlar bilan to'ldirilgan. Bir nuqtada, ichkarida "boshlangan" fotonlar, ilgari u erda joylashgan fotonlardan farqli o'laroq, endi muvozanat energiya holatiga erisha olmadi. Ushbu "qo'shimcha" fotonlar bir xil eng past energiya holatiga o'tib, kondensatsiyalana boshladilar va shu bilan beshinchi agregatsiya holatini shakllantirdilar. Ya'ni, olimlar fotonlardan xona haroratida, sovutmasdan kondensat olishga muvaffaq bo'lishdi.

2012 yilga kelib ko'plab boshqa izotoplardan kondensat olish mumkin edi, shu jumladan natriy, litiy, kaliy va boshqalar izotoplari. Va 2014 yilda kondensat yaratish uchun qurilma muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi, u 2017 yilda Xalqaro kosmik stantsiyaga yuboriladi. nol tortishish sharoitida tajribalar o'tkazish uchun.

Kondensatni qo'llash

Ushbu hodisani tasavvur qilish qiyin bo'lsa-da, har qanday kvant effektlari kabi, bunday modda keng ko'lamli muammolarda qo'llanilishi mumkin. Bose-Eynshteyn kondensatini qo'llashga misollardan biri atom lazeridir. Ma'lumki, lazer tomonidan chiqarilgan nurlanish kogerentdir. Ya'ni, bunday nurlanishning fotonlari bir xil energiya, faza va to'lqin uzunligiga ega. Agar fotonlar Bose-Eynshteyn kondensatidagi kabi bir xil kvant mexanik holatda bo'lsa, u holda lazerning samaraliroq nurlanishini olish uchun bu sovutilgan moddani sinxronlashtirish mumkin. Bunday atom lazeri 1997 yilda kondensatni yaratgan birinchi olimlardan biri bo'lgan Volfgang Ketterle boshchiligida yaratilgan.

Nemis olimlari tomonidan 2010 yilda qo'llanilgan fotonlardan kondensat olish usuli quyosh energiyasida qo'llanilishi mumkin. Ayrim fiziklarning fikricha, bu bulutli ob-havo sharoitida quyosh batareyalarining samaradorligini oshiradi.

Bose-Eynshteyn kondensati - grafik vizualizatsiya

Bose-Eynshteyn kondensati nisbatan yaqinda olinganligi sababli, uni qo'llash doirasi hali aniq belgilanmagan. Biroq, turli olimlarning fikriga ko'ra, kondensat ko'plab sohalarda foydali bo'lishi mumkin: tibbiy asbob-uskunalar, kvant kompyuterlari.

“Kvant mexanikasi” deyishimiz bilan biz elementar zarralar, atomlar yoki shunga o'xshash narsalarni tasavvur qilamiz. Aslida, kvant mexanikasi formulalari makroskopik jismlarga juda mos keladi. Asosiysi, bu jismlar tashqi dunyo bilan o'zaro ta'sir qilmaydi, shuning uchun ular undan ideal tarzda ajratilgan.

Olimlarni so'nggi paytlarda kvant olami qonunlariga muvofiq harakat qiladigan makroskopik ob'ektlar ayniqsa qiziqtirgani bejiz emas. Bunga misol qilib Bose-Eynshteyn kondensati, juda past haroratgacha sovutilgan ko'plab atomlardan iborat mayda bulut - mutlaq noldan gradusning milliarddan bir qismigacha, issiqlik harakati amalda to'xtaganida. Bunday bulut magnit tuzog'ida bo'lib, tom ma'noda bitta ulkan "atom" kabi harakat qiladi. Uni tashkil etgan alohida atomlar o'z erkinligini yo'qotadi; ular bir-biridan mustaqil bo'lishni to'xtatadilar. Ushbu hodisaga bag'ishlangan maqolalardan birida to'g'ri aytilganidek, "Atomlar qadam tashlaydi". Olingan makroskopik kvant ob'ekti diametri bir necha mikrometrga etadi; u oddiy atomdan bir necha marta katta. Endi bu ob'ekt umuman har qanday ta'sirga ta'sir qiladi, garchi ularni uning alohida atomlari o'rtasida bog'laydigan kuchlar deyarli yo'q.

Aql bovar qilmaydigan haroratgacha sovutilgan atomlar buluti "tezlikda" keta boshlaydi - Bose-Eynshteyn kondensati paydo bo'ladi.

Atomlarning g'alati dunyosi. Chapda: mis substrat yuzasida natriy va yod atomlari. O'ngda: mis substratda temir atomlaridan qurilgan "devor"

"Odatda, barcha atomlar miltillaydi, har tomonga shoshiladi, lekin agar siz ularni juda sovutsangiz, ular to'satdan armiya kabi shakllana boshlaydi. Farqi lampochka va lazer o'rtasidagi farq bilan deyarli bir xil: lampochkada yorug'likning barcha zarralari turli yo'nalishlarda yuguradi, lekin lazerda ular yurishadi. Shunday qilib, biz yorug'lik emas, balki materiya chiqaradigan lazerni qurishga muvaffaq bo'ldik. Aslida, hamma narsa juda oddiy, shunday emasmi? - Nemis fizigi, keyinchalik... materiyaning yangi holatini ifodalovchi ushbu kondensatni o'rganishi uchun Nobel mukofotini olgan Volfgang Ketterle kashfiyot mohiyatini hazil bilan tushuntirdi.

Atrofimizdagi moddalar suyuq, qattiq yoki gazsimon shaklda bo'ladi. Biroq, nazariya boshqa agregatsiya holatlariga ruxsat beradi. Masalan, moddaning barcha atomlari eng past energiya darajasida kondensatsiyalanishi mumkin. Bunday ob'ekt har qanday ta'sirga bir butun sifatida munosabatda bo'lishi kerak edi, garchi uning zarralarini hech narsa bog'lamasa. Uning harakatini bitta to'lqin funktsiyasi bilan tavsiflash mumkin. Bu g'alati hodisani Albert Eynshteyn 1920-yillarning o'rtalarida hind fizigi Shatyendranath Bose tomonidan olib borilgan hisob-kitoblarni tahlil qilib, bashorat qilgan. Ushbu metamorfoz Kelvin shkalasi bo'yicha mutlaq nolga yaqin joyda sodir bo'lishi kerak.

Moddani deyarli mutlaq nolga sovutish va Bose-Eynshteyn kondensatini olish uchun tajriba tayyorlanmoqda.

Darhaqiqat, shunga o'xshash holat keyinchalik kuzatilgan, ammo uni sof shaklda olish mumkin emas edi. Shunday qilib, supero'tkazgichlarda ba'zi elektronlar Bose-Eynshteyn kondensati shaklida mavjud. O'ta suyuqlikli geliyda ba'zi atomlar ham o'zini bir butun sifatida tutadi.

90-yillarning boshlarida bir nechta ilmiy laboratoriyalar Bose-Eynshteyn kondensatini "ov qilishdi". Unga boradigan yo'l o'ta o'tkazuvchan materiallar hududidan o'tdi. Olimlar yo'lidagi keyingi belgi: 4,2 kelvin (taxminan - 269 ° C). Bu haroratda geliy suyuqlikka aylanadi. 2 Kelvin haroratda u ortiqcha suyuqlikka aylanadi, ya'ni ishqalanishni boshdan kechirmasdan, eng nozik kapillyarlarga kirib boradi.

Ultra past harorat fizikasining haqiqiy maydoni 2 Kelvindan past haroratlarda boshlanadi. 1990-yillarning o'rtalariga kelib, fiziklar sovutish texnologiyasini shunchalik yaxshiladilarki, materiyaning yangi holatini kashf qilish muqarrar bo'lib tuyuldi.

Bu erda usullardan biri - lazerli sovutish deb ataladi. Gaz magnit tuzoqda ushlab turiladi va unga lazer nuri yo'naltiriladi. U atomlarning kinetik energiyasining bir qismini o'zlashtiradi va bu gazning haroratini pasaytiradi. Yorug'lik kvantlari oqimida gaz atomlari xuddi "optik siropda" sekinlashadi. Xuddi shunday, 1995 yil boshida seziy atomlari gazini 700 nanokelvin, ya'ni 0,0000007 kelvin haroratgacha sovutish mumkin edi.

Bose-Eynshteyn kondensatini olish uchun hamma narsa tayyor

Ammo rekord uzoq davom etmadi. Xuddi shu yili Milliy standartlar va texnologiyalar institutidan (Kolorado) amerikalik fiziklar Erik Kornel va Karl Uayman birinchi marta rubidiy atomlaridan hosil bo'lgan gazni 200 nanokelvingacha sovutdilar va birozdan keyin ular bu harorat rekordini yangiladilar. Gazni tanlash muhim rol o'ynadi. Hajmi tufayli rubidiy atomlarini sovutish, masalan, vodorodga qaraganda osonroq. Bundan tashqari, ular bilan ishlashda kondensatsiyani aniqlash osonroq. Vodorod holatida gaz kondensatsiyalanishi mumkin va hech kim hech narsani sezmaydi.

Rubidiy gazi lazerlar yordamida oldindan sovutilgan, so'ngra yo'naltirilgan radio to'lqinlar yordamida magnit tuzoqdan eng issiq atomlar olib tashlandi. Erik Kornel: "Bo'lgan voqea, ichimlikning eng issiq qismlarining bug'lanishiga imkon beruvchi sovutilgan bir chashka qahva bilan bir xil bo'ldi", deb tushuntiradi.

Nihoyat, 170 nanokelvin haroratda, uzoq kutilgan daqiqa keldi: rubidiy gazi zichlasha boshladi, uning zichligi keskin oshdi. Ko'proq atomlar oddiy gazga xos bo'lgan turli darajalar o'rtasida taqsimlanish o'rniga eng qulay energiya pozitsiyalarini egalladi. Qopqonning markazida ikki ming atom to'plangan. Ularning tezligi va harakat yo'nalishi bir xil edi. Bu holat taxminan o'n besh soniya davom etdi.

“Tadqiqotchilar qanday o'lja tutganini anglab etgach, hamma hayajonga to'ldi. Axir, bu atomlar to'dasi umuman oddiy gaz emas edi! Bu g'alati xususiyatlar bilan bog'liq bo'lgan moddaning yangi shakli haqida edi." 1995 yilning yozida ko'plab gazetalar sahifalari shu kabi xabarlarga to'la edi.

Ushbu tajriba bo'yicha dastlabki sharhlar Bose-Eynshteyn kondensati vaqtni o'lchash uchun yangi standart o'rnatishi mumkinligini ko'rsatdi. U issiqlikni metallga qaraganda yaxshiroq o'tkaza oladi. Agar siz unga e'tibor qaratsangiz, siz lazerga o'xshash nurga ega bo'lasiz. Bunday nur nanotexnologlar uchun kuchli qurolga aylanishi mumkin. Undan foydalanib, hozirgidan ancha kichikroq mikrosxemalar ishlab chiqarish mumkin edi.

"Biz tadqiqotning mutlaqo yangi sohasiga kirdik", deb tan oldi bo'lajak Nobel mukofoti sovrindori Erik Kornel o'zining birinchi intervyularidan birida. – Oldimizda juda qiziq hodisalar ochilmoqda. O‘ylaymanki, yaqin yillarda o‘ta past haroratli fizika uyg‘onishni boshdan kechiradi”.

1995 yildan beri fiziklar rubidiy, natriy, vodorod va geliy atomlaridan Eynshteyn-Bose kondensatini ishlab chiqarishga muvaffaq bo'lishdi. Barcha holatlarda u bir-biriga iloji boricha yaqinroq bo'lishga intiladigan butun spinli (ichki burchak momentumli) bozonlardan - kvazizarralardan iborat edi.

1999 yilda bir-biridan uzoqroq turishga harakat qiladigan yarim butun spinli zarralar - fermionlar kondensati ham birinchi marta olingan. Bunday holda, kondensat tarkibida kaliy atomlari mavjud edi. Ular juft bo'lib bog'lanib, butun spinli o'ziga xos diatomik molekulalarni hosil qildilar.

Bu supero'tkazgichlarda Kuper juftlari, ya'ni o'zaro itarilishni engib o'tadigan elektron juftlarining paydo bo'lishini eslatdi. Mutaxassislarning mulohazalari ta'kidlagan: "Agar fermion kondensatini qattiq holatga aylantirish mumkin bo'lganida, hosil bo'lgan modda yuqori haroratli o'ta o'tkazgichning xususiyatlariga ega bo'lishi mumkin edi".

"Fermion kondensatlarini o'rganish yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlik sohasidagi tadqiqotlarni sezilarli darajada rivojlantirishi mumkin, chunki atom juftlarining hosil bo'lish mexanizmi Kuper juftlarining shakllanishi bilan bir xil xususiyatga ega, ammo atomlar ta'sirga nisbatan ancha chidamli. yuqori haroratlar”, deb yozadi “Izvestiya” jurnalisti Pyotr Obraztsov.

Bose-Eynshteyn kondensati bilan tajriba o'tkazilmoqda

Nihoyat, 2001 yil aprel oyida Rays universiteti (Xyuston, Texas) xodimlari materiyaning maxsus holatiga ega bo'lishlari haqida xabarlar paydo bo'ldi: u bir vaqtning o'zida bosonik va fermionik kondensatlarni o'z ichiga oladi.

Randall Hulet boshchiligidagi bir guruh olimlar litiy-6 va litiy-7 izotoplarini o'z ichiga olgan aralashma bilan tajriba o'tkazdilar. Ikkinchisining atomlari o'zini bozonlar kabi tutadi, chunki ular juft sonli elementlardan iborat: to'rtta neytron, uchta proton va uchta elektron. Litiy-6 atomlari fermionlarga tegishli. Ular toq sonli zarralardan iborat: uchta neytron, uchta proton va uchta elektron. Ikkita bir xil fermionlar bir joyda, bir xil tezlikda yoki bir yo'nalishda harakatlana olmaydi.

Skanerli tunnel mikroskopining monitorida atomlardan tashkil topgan tog'lar ko'rinadi

Atom buluti Kelvin darajasining milliondan bir qismigacha sovutilganda, litiy-7 atomlari magnit tuzoqning eng markazida joylashgan edi; ular diametri taxminan yarim millimetr bo'lgan ixcham bulut hosil qildilar. Keyinchalik sovutish bilan u tezda pasayib ketdi. Fermion buluti diffuz bo'lib, uning kattaligi biroz o'zgargan. U shunday past haroratda ham tuzoq o'rtasida atomlarning to'planishiga yo'l qo'ymaydigan Fermi bosimiga tobe edi. Amerikalik olimlarning ta'kidlashicha, hatto past haroratlarda ham fermion va bozonik bulutlar bir-biridan qochib, uzoqlashishga moyil. Xuddi shunday hodisa suyuq geliy-3 va geliy-4 aralashmasida ham kuzatilgan.

Bose-Eynshteyn kondensatining boshqa tadqiqotlari ham qiziqarli.

Shunday qilib, Erik Kornel va Karl Uayman rubidiy izotop atomlarining kondensati bilan o'tkazgan tajribada atomlarning tortishish va itarilish kuchlarining tez almashinishiga erishdilar. Bu o'ta yangi yulduz portlashini eslatuvchi kondensatning deyarli portlovchi kengayishiga olib keldi. Olimlar bu jarayonni "Bose-Nova" deb atashgan.

2005 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotini olgan nemis fiziklari Yozef Fortag va Teodor Xensh mustaqil ravishda Bose-Eynshteyn kondensatining bir tomchisi yordamida boshqarilishi mumkin bo'lgan mikrosxemani yaratdilar. Undan foydalanib, siz ma'lumotlarni to'plashingiz va uzatishingiz mumkin.

Volfgang Ketterle Bose-Eynshteyn kondensatidan bo'laklarni "olib tashlash" mumkinligini ko'rsatdi. Bu yorug'likdan ko'ra materiyadan nurlanish hosil qiladigan atom lazerini yaratishga imkon beradi. Lazer nuri ideal elektromagnit to'lqin bo'lgani kabi, kondensat ideal materiya to'lqinidir. Uning alohida atomlarini kogerent yorug'lik kabi to'lqin funktsiyasi bilan tasvirlash mumkin. Biroq, atomlarning to'lqin uzunligi yorug'lik to'lqin uzunligidan ancha qisqa. Atom lazeridan foydalanib, siz atomlarni nanometr aniqlik bilan siljitish orqali eng kichik tuzilmalarni yaratishingiz mumkin. Ushbu kashfiyot nanotexnologiyada sezilarli taraqqiyotga olib keladi. Atom lazerlarining an'anaviy yorug'lik optikasidan ustunligi ularning juda yuqori aniqligidir. "Atom lazeridan foydalanish, - deydi Teodor Xensh, - men bilishimcha, atomlarni boshqarish va ularni maqsadli harakatlantirishning eng aniq usuli".

"Atom lazeridan foydalanish, - deydi Teodor Xensh, - bu ... atomlarni boshqarish va ularni maqsadli harakatlantirishning eng aniq usuli".

"Bose-Eynshteyn kondensati, - deydi Ketterle, "mutlaqo yangi materiallarni yaratish va tadqiq qilish uchun yo'l ochadi". Shunday qilib, tekis chiziqlar yoki kondensat lentalari "uch o'lchamli narsalarga qaraganda butunlay boshqacha xususiyatlarga ega. Bu butunlay boshqa fizika."

Kondensat kvant tizimlarining xususiyatlarini eksperimental tadqiqotlar uchun idealdir. Bundan tashqari, uni ko'plab zarralar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilishga majbur bo'lgan makroskopik tizimlar modeli sifatida ko'rib chiqish mumkin. Shunday qilib, siz yorug'lik to'lqinlarining "optik panjarasini" yaratishingiz va uning ichiga Bose-Eynshteyn kondensatini joylashtirishingiz mumkin. Natijada, sovutilgan gaz atomlari qat'iy ravishda kosmosning ma'lum nuqtalarida joylashgan ob'ekt turi bo'ladi - deyarli kristall panjaradagi atomlar kabi. Bu nihoyatda sovutilgan gazdan qattiq jismning soddalashtirilgan modeli sifatida laboratoriya tajribalarida foydalanish mumkin. Ehtimol, Bose-Eynshteyn kondensatlari bilan o'tkazilgan tajribalar nihoyat yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlik mexanizmini aniq tasvirlashga yordam beradi.

Qo'shimcha qilish kerakki, "Izvestiya" gazetasining yozishicha, "Bose-Eynshteyn kondensatidagi eng yirik rus mutaxassislari chet elda ishlaydi: AQShda akademik Vladimir Zaxarov, Italiyada akademik Lev Pitaevskiy. Rossiyada bu sohada tajribalar o‘tkazilmagan”.