Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна?
Конденсат Бозе-Эйнштейна — это состояние вещества, наблюдаемое только для бозонов с температурой около 0 Кельвина, при котором частицы группируются и ведут себя как одно целое.
Давайте начнем с двух очевидных фактов о конденсате Бозе-Эйнштейна. Во-первых, его относят к различным состояниям материи, поэтому мы знаем, что это состояние материи. Однако оно не так распространено, как другие, потому что если бы это было так, мы бы изучали его в начальной школе наряду с твердыми телами, жидкостями и газами.
Это подводит нас ко второму факту. Этот конденсат не существует в природе. Он должен быть синтезирован в лабораториях, которые могут обеспечить соответствующие условия для его поддержания. Или мы должны искать их в экстремальных условиях, например, внутри нейтронных звезд, чтобы найти возможные примеры такого состояния.
Вы, вероятно, задаетесь вопросом... как кто-то вообще додумался до существования такого материала, если он никогда не встречался в природе? Как делают этот конденсат Бозе-Эйнштейна в лабораториях, и что делает его настолько особенным, что он имеет свою собственную категорию материи? Что ж, давайте погрузимся в эту тему и получим ответы на все эти вопросы, начиная с самого происхождения!
История BEC
Почти век назад Шатьендранат Бозе отправил Эйнштейну свою неопубликованную работу по квантовой статистике световых квантов. По сути, он дал статистическое исследование или теорию световых частиц и их квантовой природы. Эйнштейн был впечатлён его работой и представил её для публикации от имени Бозе. Эйнштейн развил идею Бозе, и из нее возникла концепция статистики Бозе-Эйнштейна.
В основном, статистика Бозе-Эйнштейна имеет дело с частицами, имеющими целочисленные спины (0, 1, 2, 3, ...), которые мы теперь называем бозонами. Как следует из названия, основой статистики Бозе-Эйнштейна является изучение статистического распределения бозонов и их результирующего поведения. Теперь мы знаем, что существует еще одна категория частиц материи, называемых фермионами, которые имеют полуцелые спины (1/2, 3/2, 5/2,...). Фермионы подчиняются собственной теории квантовой статистики, называемой статистикой Ферми-Дирака.
Именно благодаря своей работе Эйнштейн понял одно из следствий свойства бозонов. Это свойство заключалось в том, что бозоны с одинаковыми квантовыми числами могут занимать одинаковые квантовые состояния. Эти состояния включают такие свойства, как импульс, энергия и т.д.
Следствием было понятие BEC, но в чем смысл этого свойства и почему оно так примечательно?
Что делает его таким особенным?
Подумайте об атоме. Представьте, что на одном из энергетических уровней (для простоты - уровень 2s) есть вакансия, и два электрона могут занять эту вакансию.
Теперь вспомните, что электроны имеют множество квантовых чисел, которые определяют их квантовые состояния, например, главное квантовое число, угловое квантовое число, магнитное квантовое число и т. д. Однако для уровня 2s два энергетических уровня отличаются только спиновым квантовым числом (+1/2 и -1/2 спинов).
Допустим, электрон со спином вверх (+1/2) занял одну позицию, как показано на диаграмме. Теперь место, свободное для другого электрона, может быть занято только электроном со спином вниз (-1/2), так что общая конфигурация квантовых состояний будет иной.
Это свойство не позволять частицам с одинаковыми квантовыми числами занимать один и тот же энергетический уровень называется принципом исключения Паули.
Теперь давайте посмотрим на сам электрон. Он имеет полуцелый спин (1/2), что означает, что он следует статистике Ферми-Дирака. Но это не относится к бозонам! Бозоны с одинаковыми квантовыми числами могут существовать вместе на одном энергетическом уровне, что означает, что они не подчиняются принципу исключения Паули. Что же происходит, когда бозоны собираются вместе и одновременно занимают один и тот же энергетический уровень... и как это происходит?
Эйнштейн представил, что если систему бозонов охладить настолько, чтобы устранить их случайные движения, то они могут собраться вместе и занять самое низкое квантовое состояние. Именно тогда квантовая природа частиц будет увеличена.
Вы должны знать, что когда частицы находятся на одном энергетическом уровне, все они обладают одинаковой энергией. В этот момент мы все еще можем различать частицы по их квантовым числам, таким как спин, как мы видели ранее. Однако в этой системе бозонов, где они могут занимать одни и те же квантовые состояния, включая одни и те же энергетические уровни, нет ничего, что отличало бы каждую частицу. По сути, все частицы неотличимы друг от друга!
Короче говоря, они теряют свою индивидуальность и ведут себя как единое тело, как суператом!
Этот процесс формирования суператома Эйнштейн назвал конденсацией Бозе-Эйнштейна, а сам суператом - конденсатом Бозе-Эйнштейна. Он обладает уникальными свойствами, такими как сверхтекучесть, а во многих случаях и сверхпроводимость! Однако именно поведение этой большой группы частиц, объединяющихся и действующих как одна огромная частица (увеличивающая свою квантовую природу), делает его столь интересным для изучения.
Создание BEC
Остается вопрос, где мы можем найти это необычное состояние материи? Ответ... везде, где мы сможем поддерживать температуру около 0 К. Плохая новость заключается в том, что мы никогда не достигали абсолютного нуля в лаборатории. Более того, поддержание температуры, даже близкой к абсолютному нулю, является довольно сложной задачей!
А как насчет космоса? В конце концов, все мы знаем, что в космосе очень холодно. К сожалению, реальность такова, что мы не обнаружили ни одного места в видимой Вселенной с температурой 0 К. Даже средняя фоновая температура космоса составляет около 2,725 К.
Сам Эйнштейн скептически относился к созданию BEC. Как кто-то смог бы достичь условий, необходимых для этого? Он назвал это парадоксом и оставил все как есть.
Почти 70 лет спустя этот парадокс наконец-то стал возможен!
Первый BEC был создан командой Эрика Корнелла и Карла Вимана в JILA из атомов рубидия. Это стало возможным только потому, что они смогли достичь температуры в нано-кельвиновом диапазоне, что было необходимо для возникновения конденсации Бозе-Эйнштейна. Удивительно, но им удалось опуститься до температуры в 20 нК! Еще до достижения этой температуры они начали наблюдать процесс конденсации при температуре 170 нК! Всего несколько месяцев спустя Вольфганг Кеттерле и его команда смогли наблюдать это явление в атомах натрия. Это монументальное достижение привело к тому, что Корнелл, Виман и Кеттерле получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году.
Процесс их образования не так прост, как просто охлаждение до невероятно низких температур (что тоже очень сложно!). Полный процесс включает в себя использование магнитов и лазеров для захвата частиц и их охлаждения. Эти частицы также должны обладать низкой плотностью, чтобы они сразу же не сконденсировались в твердые тела или жидкости.
И даже когда все эти тщательные переменные достигнуты, BEC образуется лишь на короткое время!
Заключение
Теперь, когда мы понимаем происхождение, основы и важные свойства BEC и его формирования, мы можем завершить, ответив на очевидный вопрос. Для чего он полезен?
До сих пор он помогал нам в понимании квантовых явлений многих тел, а также в изучении экзотических явлений, таких как излучение Хокинга! Другими словами, изучение конденсата Бозе-Эйнштейна не ограничивается только квантовым миром, оно простирается в космос и за его пределы!