Бозе-Ајнштајнов кондензат

Бозе-Ајнштајнов кондензат (БЕЦ) , стање материје у коме су се одвојени атоми или субатомске честице охладиле изблиза апсолутна нула (0 ДО , - 273,15 ° Ц, или - 459,67 ° Ф; К = келвин), спајају се у један квантно-механички ентитет - тј. Онај који се може описати таласном функцијом - на скоро макроскопској скали. Овај облик материје предвидео је 1924. године Алберт Ајнштајн на основу квантни формулације индијског физичара Сатиендре Натх Босе.

Иако се то предвиђало деценијама, први атомски БЕЦ направљен је тек 1995. године, када су Ериц Цорнелл и Царл Виеман из ЈИЛА, истраживачке институције коју заједнички управљају Национални институт за стандарде и технологију (НИСТ) и Универзитет у Колораду у Боулдеру. , охладио је гас атома рубидијума на 1,7 × 10⁻⁷К изнад апсолутне нуле. Заједно са Волфгангом Кеттерлеом са Массацхусеттс Институте оф Тецхнологи (МИТ), који је створио БЕЦ са натријум атома, ови истраживачи су 2001. добили Нобелову награду за физику. Истраживање о БЕЦ проширило је разумевање кванта стање и довело је до открића нових физичких ефеката.

Теорија БЕЦ-а сеже до 1924. године, када је Босе разматрао како се понашају групе фотона. Фотони припадају једној од две велике класе елементарних или субмикроскопских честица дефинисаних тиме да ли је њихов квантни спин ненегативан цео број (0, 1, 2, ...) или непарни пол цели број (1/2, 3/2,…). Први тип, назван бозони, укључује фотоне чији је спин 1, а други тип, назван фермиони, укључује електроне чији је спин 1/2.

Као што је Босе приметио, две класе се понашају различито ( види Босе-Еинстеин и Ферми-Дирац статистика). Према Паули-јевом принципу искључења, фермиони теже да се међусобно избегавају, због чега сваки електрон у групи заузима посебно квантно стање (назначено различитим квантним бројевима, као што је енергија електрона). Насупрот томе, неограничени број бозона може имати исто енергетско стање и делити једно квантно стање.

Ајнштајн је убрзо проширио Бозеов рад да би показао да би се при екстремно ниским температурама бозонски атоми са равномерним спиновима удружили у заједничко квантно стање при најнижој расположивој енергији. Потребне методе за производњу температура довољно ниских да би се тестирало Ајнштајново предвиђање постале су, међутим, тек 1990-их. Једно од открића зависило је од нове технике ласерског хлађења и хватања, у којој се притисак зрачења ласерског зрака хлади и локализује атоме успоравајући их. (За ово дело, француски физичар Цлауде Цохен-Танноудји и амерички физичари Стевен Цху и Виллиам Д. Пхиллипс поделили су 1997. Нобелову награду за физику.) Друго откриће зависило је од побољшања у магнетном затварању како би се атоми задржали на месту без материјала контејнер. Користећи ове технике, Цорнелл и Виеман успели су да споје око 2.000 појединачних атома у суператом, кондензат довољно велик да се посматра микроскопом, који је показивао различита квантна својства. Док је Виеман описивао достигнуће, довели смо га до готово људске размјере. Можемо га боцнути и продорити и погледати ове ствари на начин који нико пре није могао.

БЕЦ су повезани са два изванредна феномена на ниским температурама: суперфлуидношћу, у којој сваки од изотопа хелијума³Он и⁴Он формира течност која тече са нулом трење ; и суперпроводљивост, у којој се електрони крећу кроз материјал са нулом електрична отпорност .⁴Атоми су бозони, и мада³Атоми и електрони су фермиони, они такође могу проћи Бозе кондензација ако се удруже са супротним спиновима да би створили бозонска стања са нултим нето спином. 2003. године Деборах Јин и њене колеге из компаније ЈИЛА користиле су упарене фермионе да би створиле први атомски фермионски кондензат.

Истраживање БЕЦ-а дало је нову атомску и оптичку физику, попут атомског ласера ​​Кеттерле приказаног 1996. године. Конвенционални светлосни ласер емитује сноп кохерентан фотони; сви су тачно у фаза и може се фокусирати на изузетно малу, светлу тачку. Слично томе, атомски ласер ствара кохерентни сноп атома који се може фокусирати великим интензитетом. Потенцијалне примене укључују прецизније атомске сатове и унапређени технике израде електронских чипова или интегрисаних кола .

Најзанимљивије својство БЕЦ-а је то што могу успорити светлост. 1998. Лене Хау са Универзитета Харвард и њене колеге успориле су светлост путујући кроз БЕЦ из његове брзине у вакууму од 3 × 10⁸метара у секунди до само 17 метара у секунди или око 38 миља на сат. Од тада су Хау и други потпуно зауставили и ускладиштили светлосни пулс унутар БЕЦ-а, касније ослобађајући светло непромењено или га шаљући у други БЕЦ. Ове манипулације обећавају нове врсте светлости телекомуникације , оптичко складиште података и квантно рачунање, иако захтеви БЕЦ за ниске температуре нуде практичне потешкоће.