Иллюстрация: Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters. Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой весьма особое состояние вещества, присущее бозонам – таким типам элементарных частиц с целым спином. Данное состояние наблюдается при температурах, близких к абсолютному нулю (0 Кельвина), и характеризуется тем, что бозоны объединяются в единую квантовую систему, демонстрируя коллективное поведение. Несмотря на то, что конденсат Бозе-Эйнштейна классифицируется как состояние материи, он встречается значительно реже других известных состояний (твердое тело, жидкость, газ). Это обусловлено необходимостью достижения экстремально низких температур для его существования. Вследствие этого, конденсат Бозе-Эйнштейна не наблюдается в естественных условиях и может быть синтезирован только в лабораторных условиях с использованием специализированного оборудования, способного обеспечить требуемую температуру.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
Альтернативно, возможные примеры такого состояния можно искать в экстремальных astrophysical объектах, таких как нейтронные звезды. Логичный вопрос возникает: как было предсказано существование конденсата Бозе-Эйнштейна, если он не встречается 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.
Шатьендранат Бозе и Эйнштейн (слева направо)
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?
Принцип исключения Паули не позволяет электронам с одинаковым спином существовать вместе на одном энергетическом уровне
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.
Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле, Карл Вайман (слева направо)
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!
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!
Впервые удалось управлять движением одиночного иона рубидия сквозь конденсат Бозе — Эйнштейна
Физикам удалось понаблюдать за контролируемым движением одиночного иона рубидия сквозь конденсат Бозе — Эйнштейна из охлажденных атомов. Особенность эксперимента заключалась в том, что ученые могли с высокой точностью отслеживать траекторию и скорость иона в процессе движения сквозь конденсат, а также влиять на то, как быстро он проходит сквозь атомы и как часто испытывает столкновения с ними. В будущем такая методика позволит наблюдать за индивидуальными столкновениями ионов с охлажденными атомами в макроскопическом квантовом состоянии и изучать связанные с этим квантовые эффекты. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Обычно к квантовой физике обращаются при попытках описать поведение микроскопических систем, будь то отдельная частица в потенциальной яме, ее рассеяние на другой частице, или же ее простейшее связанное состояние. Однако еще в первой половине 20 века физики поняли, что квантовые эффекты могут наблюдаться и в макроскопической системе, если охладить ее до определенной критической температуры.
Схема экспериментальной установки. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters
Именно так были открыты явления сверхтекучести и сверхпроводимости, которые имеют квантовую природу несмотря на макроскопические масштабы наблюдаемых эффектов.
К макроскопической квантовой системе можно отнести и конденсат Бозе — Эйнштейна — равновесную систему из большого числа бозонов (частиц или квазичастиц с целым спином), находящихся в одном и том же квантовом состоянии. Такое агрегатное состояние вещества возможно благодаря тому, что бозоны не подчиняются запрету Паули, сформулированному для фермионов (частиц с полуцелым спином), а значит могут одновременно находиться в своем основном состоянии.
В таком случае вся система может быть описана одной волновой функцией, а значит квантовые эффекты могут проявляться на макроскопическом уровне. Однако получить бозе-конденсат удалось лишь в 1995 году (спустя 70 лет после теоретического предсказания его существования) из-за технической сложности процесса охлаждения большого числа атомов до чрезвычайно низких температур порядка сотен нанокельвинов.
С того момента у конденсата Бозе — Эйнштейна нашли немало интересных свойств, а с его помощью моделируют множество физических явлений: от космологической инфляции до черных дыр. Отдельный интерес для физиков представляют эффекты переноса в охлажденных до столь низких температур атомных газах, в особенности — движение в них заряженных ионов. Ранее в похожих процессах изучали экзотические свойства уже упомянутой сверхтекучести, и теперь физики надеются на результаты и для случая бозе-конденсации. Кроме того, подобные техники могут быть использованы для моделирования квантовых систем вплоть до квантовых компьютеров, и даже для исследования фундаментальных принципов, стоящих за химическими реакциями.
Теперь же Томас Дитерле (Thomas Dieterle) из Штутгартского университета вместе с коллегами провел исследование движения отдельного иона сквозь бозе-конденсат с использованием метода, который позволяет свободно варьировать скорость движения иона и тем самым контролировать режим его взаимодействия с холодными атомами. Сам одиночный ион в конденсате Бозе — Эйнштейна из около миллиона атомов рубидия физики получали в два этапа. Сначала ученые возбуждали лазером электрон одного из атомов конденсата до крайне высокого уровня, получая тем самым ридберговский атом, после чего ионизировали его двумя последовательными короткими импульсами электрического поля разной поляризации. Столь сложная процедура применялась для того, чтобы в начальном состоянии ион имел очень маленькую скорость (менее десятой метра в секунду).
Далее на ион воздействовали постоянным электрическим полем, приводя его в движении, и за счет высокой плотности бозе-конденсата он успевал многократно провзаимодействовать с атомами рубидия. С помощью еще одной пары импульсов поля ученые могли в любой момент прервать движение иона сквозь конденсат и направить его в сторону микроканальной пластинки, которая регистрировала время его прилета. По этому времени физики могли понять, из какой точки бозе-конденсата вылетел ион, а значит, варьируя момент окончания движения в пределах между 0 и 25 микросекундами, они могли полностью восстановить траекторию и скорость его движения сквозь охлажденные атомы. Каждое измерение при определенном времени движения иона сквозь бозе-конденсат проводилось 50 раз для набора статистики, а для демонстрации различных режимы движения иона ученые меняли ускоряющее напряжение.
(a) упрощенная схема движения иона сквозь бозе-конденсат, (b) результаты моделирования зависимости скорости движения иона сквозь бозе-конденсат от времени для различных значений напряженности электрического поля. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters
Помимо наблюдения взаимодействия иона с бозе-конденсатом, исследователи также рассмотрели его движение сквозь более разряженный газ атомов рубидия. Измерения показали, что в этом случае, как и ожидалось, ион ускоряется быстрее, так как на одном и том же участке движения испытывает меньше столкновений с окружающими атомами. Кроме того, ученые провели моделирование эксперимента в квазиклассическом пределе, в котором движение иона может быть описано с помощью динамики Ланжевена. Оказалось, что экспериментальные данные близки к результатам моделирования, а значит квантовые эффекты слабо влияли на эксперимент.
Зависимости времени движения сквозь охлажденные атомы от времени полета к микроканальной пластинке и связанной с последним координаты вылета. Сверху – результаты эксперимента, снизу – результаты моделирования. Черные точки – результаты для бозе-конденсата, красные точки – результаты для более разряженного состояния. Слева – меньшие значения напряженности поля, справа – большие. Thomas Dieterle et al. / Physical Review Letters
Однако главным результатом своей работы Дитерле и коллеги называют разработанную ими методику эксперимента, которая позволяет с высокой точностью следить за движением иона сквозь бозе-конденсат и свободно варьировать параметры этого движения. Ученые утверждают, что улучшенный контроль над электрическими полями в системе в комбинации с увеличенным пространственным разрешением позволит точнее контролировать движение иона. Это позволит перейти в режим, когда при меньших полях ион в процессе движения испытывает лишь несколько столкновений с окружающими атомами, и изучить влияние квантовых эффектов на данный процесс.
Конденсат Бозе — Эйнштейна, как упоминалось выше, может быть получен не только из атомов: ранее мы рассказывали о том, как физикам удалось получить бозе-конденсат взаимодействующих фотонов. А в прошлом году ученые получили бозе-конденсат за рекордное время в 100 фемтосекунд.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
