Bozes-Einšteina kondensāts — kas tas ir, definīcija un īpašības
Bozes-Einšteina kondensāts (BEC) ir īpašs matērijas kvantu stāvoklis, kas rodas, ja ārkārtīgi retinātu gāzi atdzesē līdz ļoti zemu temperatūru, tuvu absolūtajam nullim (0 K, kas atbilst -273 °C jeb -459,67 °F). Kondensāts veidojas tad, ja daļiņām, kas to veido, ir ļoti maza enerģija, un tās nokļūst vienā kvantu stāvoklī — kļūst koherentā masu viļņa forma. Tikai bozoni var veidot Boses-Einšteina kondensātu (bozoni ir daļiņas ar veselu spinu). Tipiska BEC gāzes blīvuma kārtība ir ļoti zema — aptuveni 10^12–10^14 atomu/cm³, kas ir daudz mazāk nekā parastajam gaisam (~10^19 molekulas/cm³), tātad gāze ir būtiski retināta.
Kas notiek fiziski? Kad pietiekami daudz bozoni nokļūst zemākajā kvantu stāvoklī, to viļņi pārklājas un veido vienotu makroskopisku kvantu stāvokli. Rezultātā kondensātam ir īpašas īpašības, piemēram, izteikta kvantu koherence, kolektīvās ekscitācijas un novērojama de Broglie viļņa garuma palielināšanās līdz skaitāmiem mikrometriem vai vairāk.
Vēsture un eksperimentālā atklāšana
Teorētiski BEC paredzēja Satyendra Nath Bose un Albert Einšteins 1920. gados. Tomēr eksperimentāli BEC tika sasniegts tikai 1995. gadā, izmantojot ļoti zemu temperatūru atdzesētu rubīdija-87 vai nātrija atomu gāzi, pateicoties lāzeru dzesēšanai, magnētiskajiem vai optiskajiem trapu paņēmieniem un iztvaicējošai dzesēšanai. Par šo darbu 2001. gadā Nobela prēmiju fizikā saņēma Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle un Carl E. Wieman.
Galvenās īpašības
- Kvantu koherence: daudzi atomi uzvedas kā viens viļņu funkcionāls objekts; tas ļauj novērot interferenci starp diviem kondensātiem.
- Zema viskozitāte un superplūstamība: BEC var izrādīt īpašības, kas saistītas ar nulles viskozitāti un bezotrāvju plūsmu; tas ir saistīts ar supertecību un supravadītspēja fenomenu ģimenes līdzībām.
- Kooperatīvas ekscitācijas: kondensātā var rasties kolektīvas svārstības (fononi, vorteksi), kas izteikti atšķiras no atsevišķu daļiņu uzvedības.
- Temperatūras un blīvuma atkarība: BEC veidojas zem kritiskās temperatūras Tc, kas parasti ir milikelvinu vai nanoKelvinu diapazonā laboratorijas apstākļos; Tc palielinās, palielinoties blīvumam un samazinoties daļiņu masai.
Kritiskā temperatūra un nosacījumi
Kritiskā temperatūra ideālai trīsdimensiju bozona gāzei bez mijiedarbībām atkarīga no blīvuma n un daļiņas masas m. Īsumā — jo blīvāka gāze un jo vieglākas daļiņas, jo augstāka Tc. Reālajos eksperimentos jāizmanto lāzeri un magnētiskie vai optiskie trapu lauki, kā arī iztvaicējoša dzesēšana, lai sasniegtu nepieciešamo zemo temperatūru un blīvumu.
Saistība ar supravadītspēju un superplūstamību
BEC ir cieši saistīts ar citiem makroskopiskiem kvantu fenomeniem. Piemēram, supertecība (superfluiditāte) un supravadītspēja ir fenomenu veidi, kuros makroskopiskas kvantu koherences dēļ samazinās pretestība vai viskozitāte. Tomēr jāatzīmē, ka superplūstošais šķidrums, piemēram, šķidrais helijs-4, ir spēcīgu mijiedarbību sistēma un nav vienkāršs ideāla BEC piemērs — tas tomēr satur BEC komponenti un uzrāda līdzīgas kolektīvas kvantu īpašības. Arī fermionu sistēmās, kuras pašas par sevi neveido BEC, var rasties pārošanās (Cooper pāri), kas rada bosonisku pāru kondensāciju — tas ir svarīgi BCS tipa supravadītspējas izpratnei un BEC–BCS pārejai.
Eksperimentālā izpēte un pielietojumi
Bozes-Einšteina kondensāti sniedz unikālu platformu kvantu fizikas pētījumiem: tie ļauj izpētīt kvantu daudzķermeņu sistēmas, kvantu vorteksus, kvantu turbulenci, un veikt precīzus mērījumus (piemēram, inercijas mērījumi un gravitācijas interferometrija). No tehniskā viedokļa izmantojumi ietver atomu lāzerus, kvantu simulācijas, kā arī pētījumus materiālu un supravadītspējas teorijās.
Īss kopsavilkums
Bozes-Einšteina kondensāts ir makroskopisks kvantu stāvoklis, kas rodas ļoti zemu temperatūru un neliela blīvuma bozonu gāzēs. Tas izpaužas kā kolektīva kvantu koherence un rada īpašības, kuras nav novērojamas klasiskās vielas stāvokļos — piemēram, superplūstamība, interferencējoši matter-viļņi un kolektīvas ekscitācijas. Eksperimentāli sasniegts kopš 1995. gada, BEC turpina būt aktīva pētniecības joma ar plašu fundamentālu un praktisku pielietojumu spektru.
Teorija
Daļiņām ir enerģija. Tām var būt daudz enerģijas, un tās var strauji lēkāt, kā tas ir gāzēs, tām var būt mazāk enerģijas, un tās var plūst, kā tas ir šķidrumos, vai arī tām var būt vēl mazāk enerģijas, kā tas ir cietvielās. Ja daļiņai atņem pietiekami daudz enerģijas, iegūstam vismazāko jeb mazāko iespējamo enerģijas daudzumu. Tas ir Bose-Einšteina kondensāts. Tādējādi visas daļiņas kļūst pilnīgi vienādas, un tā vietā, lai nejauši lēkātu dažādos virzienos, tās visas lēkā uz augšu un uz leju pilnīgi vienādi, veidojot kaut ko, ko sauc par "milzu matērijas vilni".
Vēsture
Pirmie Boses-Einšteina kondensātu 1924.-25. gadā ierosināja Satjendra Nats Bosē un Alberts Einšteins. Septiņdesmit gadus vēlāk tā pastāvēšana tika pierādīta. Ēriks Kornels un Karls Vīmans 1995. gadā Kolorādo Universitātē izveidoja pirmo Bozes-Einšteina kondensātu. Kornelam, Vīmanam un Volfgangam Ketterlem no MIT 2001. gadā piešķīra Nobela prēmiju fizikā.
Eksperimenti
Parasti, lai iegūtu kaut ko pietiekami aukstu, lai veidotu Bosa-Einšteina kondensātu, vispirms bozons jānoķer ar magnētiem un pēc tam, atstarojot no tiem lāzerus, tiem jāatņem visa enerģija (lāzerdzesēšana). Tas tomēr nenodrošina pietiekamu aukstumu. Dažas daļiņas joprojām daudz lēkā apkārt, un tikai dažas no tām labi nogulstas. Magnētiskais lauks pēc tam lēnām tiek lēnām pazemināts, lai ātrāk atlēkušās daļiņas izlaistu ārā. Tā mums paliek tikai aukstākie un lēnākie atomi iekšpusē.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Bose-Einšteina kondensāts?
A: Bozes-Einšteina kondensāts ir vielas stāvoklis, kas rodas, ja atšķaidītu gāzi padara ārkārtīgi aukstu, tuvu absolūtajam nullim, un to veidojošajām daļiņām ir ļoti maza enerģija. Tikai bozoni var veidot Boses-Einšteina kondensātu.
J: Kādā temperatūrā veidojas Boses-Einšteina kondensāts?
Bose-Einšteina kondensāts veidojas, ja atšķaidītu gāzi padara ļoti aukstu, tuvu absolūtajam nullim, kas ir -273,15 °C jeb -459,67 °F.
J: Kāda veida daļiņas var veidot Boses-Einšteina kondensātu?
A: Tikai bozoni var veidot Boses-Einšteina kondensātu.
J: Kāds ir Boses-Einšteina kondensāta blīvums?
A: Boses-Einšteina kondensāta blīvums ir aptuveni simtūkstošdaļa no parastā gaisa blīvuma.
Vai Boses-Einšteina kondensāts ir stāvokļa maiņa?
A: Jā, Boses-Einšteina kondensāts ir stāvokļa maiņa.
J: Kāda ir vielas viskozitāte BEC stāvoklī?
A: Kad matērija ir BEC stāvoklī, tās viskozitāte ir nulle.
J: Kāda ir saistība starp supertecību, supravadītspēju un BEC vielas stāvokli?
A: Gan supertecība, gan supravadītspēja ir cieši saistītas ar BEC vielas stāvokli.
