Конденсат Бозе-Эйнштейна - это уникальное состояние вещества, впервые теоретически предсказанное Альбертом Эйнштейном в 1925 году. Однако экспериментально его удалось получить только через 70 лет. Давайте разберемся, что представляет собой этот загадочный конденсат, каковы его свойства и где он может найти применение.
История открытия конденсата Бозе-Эйнштейна
В 1924 году индийский физик Сатьендранат Бозе опубликовал статью, в которой на основе квантовой механики объяснил закон излучения Планка для световых квантов (фотонов). Эйнштейн оценил работу Бозе и сам перевел ее на немецкий язык для публикации в научном журнале. А в 1925 году Эйнштейн теоретически предсказал на основе статистики Бозе для частиц с целым спином (теперь называемых бозонами) возможность существования нового агрегатного состояния вещества при охлаждении до сверхнизких температур. Это состояние впоследствии назвали конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Однако практически получить такой конденсат оказалось крайне сложно. Только в 1995 году группе американских ученых из Колорадского университета во главе с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом это удалось сделать путем охлаждения разреженного газа атомов рубидия-87 до температуры 170 нанокельвин с помощью лазеров. А спустя несколько месяцев аналогичный результат показала и группа из Массачусетского технологического института под руководством Вольфганга Кеттерле на атомах натрия-23. За эти открытия в 2001 году все трое были удостоены Нобелевской премии по физике.
Конденсат Бозе-Эйнштейна стал первым экспериментально наблюдаемым квантовым явлением на макроскопическом уровне.
Физическая сущность конденсата Бозе-Эйнштейна
По своей природе конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой особую фазу вещества, в которой значительная часть атомов находится в квантовом состоянии с минимально возможной энергией. Как правило, это основное или нулевое энергетическое состояние. Таким образом, при охлаждении газа ниже некоторой критической температуры часть атомов теряет энергию и попадает на самый нижний энергетический уровень, образуя единый макроскопический квантовый объект.
В конденсате проявляется квантовый эффект макроскопической волновой функции, описывающей поведение всех атомов в конденсате. Это когерентное квантовое состояние обладает уникальными свойствами.
В отличие от других агрегатных состояний, у конденсата Бозе-Эйнштейна почти нет внутренней энергии. Он может беспрепятственно протекать сквозь сосуды и трубки, не взаимодействуя с их стенками. При столкновениях атомы конденсата могут практически без потерь энергии проходить друг сквозь друга. Это напоминает поведение сверхтекучего гелия, только происходит такое поведение при гораздо более низких температурах в миллиарды раз.
Условия образования конденсата Бозе-Эйнштейна
Чтобы газ атомов или других частиц перешел в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна, необходимо выполнение двух условий:
- Температура газа должна быть ниже критической температуры конденсации TC. Эта температура тем выше, чем выше плотность частиц в газе и чем меньше их масса.
- Частицы должны подчиняться квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, то есть быть бозонами с целочисленным спином (например, фотонами или атомами гелия-4).
При выполнении этих условий часть частиц оказывается вынужденной перейти на одно квантовое состояние, образуя макроскопический конденсат Бозе-Эйнштейна. Это фундаментальное квантовое явление, наблюдаемое в макроскопических системах.
| Критическая температура | TC ~ плотность в степени 2/3 |
| Масса частиц | Обратно пропорциональна TC |
| Квантовая статистика | Статистика Бозе-Эйнштейна для бозонов |
Таким образом, чем легче частицы и выше их концентрация, тем проще создать конденсат Бозе-Эйнштейна в лабораторных условиях. Обычно для этого используют разреженные газы определенных изотопов щелочных металлов, таких как рубидий-87, натрий-23 или литий-7.
Статистика Бозе-Эйнштейна и поведение бозонов
Конденсат Бозе-Эйнштейна возникает благодаря квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, описывающей поведение неразличимых частиц-бозонов с целочисленным спином. К таким частицам относятся фотоны, атомы гелия-4, атомы щелочных металлов и многие другие.
В отличие от частиц с полуцелым спином (фермионов), несколько бозонов могут находиться в одном квантовом состоянии. Это фундаментальное свойство и приводит при охлаждении к образованию единого макроскопического квантового объекта - конденсата Бозе-Эйнштейна.
Сравнение конденсата Бозе-Эйнштейна с другими агрегатными состояниями
Хотя конденсат Бозе-Эйнштейна часто называют "пятым агрегатным состоянием", по многим свойствам он существенно отличается от привычных нам газа, жидкости, твердого тела и плазмы.
- Гораздо более низкие температуры (нано- и пикокельвины)
- Выраженные квантовые эффекты на макроскопическом уровне
- Чрезвычайно малая плотность
- Когерентность и единая квантовая волновая функция
Однако есть и некоторое сходство, например, со сверхтекучим гелием. Оба этих состояния демонстрируют способность протекать сквозь малейшие щели без видимого трения. Но если сверхтекучесть наблюдается при температурах порядка нескольких кельвинов, то у конденсата Бозе-Эйнштейна это происходит при температурах на много порядков ниже.
Конденсат Бозе-Эйнштейна: фото и визуализация
Несмотря на микроскопические размеры порядка десятков микрометров, конденсат Бозе-Эйнштейна можно наблюдать визуально благодаря рассеянию падающего лазерного излучения на атомах конденсата. Такое рассеяние регистрируют высокочувствительные камеры, позволяя получить фото конденсата.
Вид конденсата зависит от числа атомов, формы ловушки и других факторов. Например, сразу после выключения ловушки он имеет почти идеальную сферическую или эллипсоидальную форму, которая со временем трансформируется, расширяясь из-за теплового движения атомов.
Квантовые эффекты в конденсате Бозе-Эйнштейна
Благодаря макроскопической когерентности, конденсат Бозе-Эйнштейна демонстрирует целый ряд интересных квантовых эффектов, недоступных в обычных системах.
В частности, при столкновении двух конденсатов может наблюдаться их квантовая интерференция, сопровождающаяся характерной картиной периодических максимумов и минимумов плотности атомов. Такая интерференционная картина является проявлением волновых свойств макроскопического квантового объекта.
Другим примером необычного квантового поведения конденсата Бозе-Эйнштейна являются коллективные возбуждения, такие как звуковые волны, возникающие без участия обычных столкновений частиц.
Методы получения конденсата в лаборатории
Чтобы получить конденсат Бозе-Эйнштейна в лаборатории, необходимо охладить газ бозонов (чаще всего атомов щелочных металлов) до сверхнизких температур порядка 100 нанокельвин и ниже. Для этого используется комбинация различных методов охлаждения:
- Лазерное охлаждение. Позволяет замедлить атомы, испускающие фотоны при взаимодействии с лазерными лучами.
- Испарительное охлаждение. Основано на отборе самых "холодных" атомов в ловушке.
- Охлаждение путем адиабатического разрежения газа.
После предварительного охлаждения атомы удерживаются в ловушках, чаще всего магнитных или оптических. Это позволяет минимизировать тепловые потери и в итоге достичь сверхнизких температур для перехода в режим конденсации Бозе-Эйнштейна.
Особенности создания конденсата в условиях невесомости
На Земле созданию стабильного и многочисленного конденсата Бозе-Эйнштейна препятствует гравитация. Атомы выпадают из ловушек, теряясь для дальнейшего охлаждения. Поэтому перспективным является получение такого конденсата в условиях микрогравитации.
В 2014-2018 годах были проведены успешные эксперименты по созданию конденсата на борту ракеты и космических аппаратов, находящихся в невесомости. А в 2020 году запущена полноценная установка на МКС, которая впервые позволила получать конденсат Бозе-Эйнштейна в условиях орбитальной станции на постоянной основе.
Преимущества непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна
Из-за ограничений используемых методов охлаждения, все предыдущие эксперименты по созданию конденсата Бозе-Эйнштейна носили импульсный характер. Конденсат существовал лишь доли секунды, а бóльшая часть атомов терялась в процессе охлаждения.
В 2022 году впервые был продемонстрирован непрерывный режим получения конденсата Бозе-Эйнштейна. Это позволило значительно повысить эффективность и стабильность системы, увеличив численность конденсата и время его существования.
Непрерывный конденсат открывает новые перспективы для исследования его свойств и применения на практике.
