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.