Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) является одним из пяти основных состояния вещества. В нем атомы достигают таких низких энергий, что правила квантовой механики требуют, чтобы они переставали действовать как отдельные атомы и вели себя как одиночный «суператом».
Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется только тогда, когда материалы охлаждаются до абсолютного нуля. При этой температуре атомы почти не движутся относительно друг друга; у них почти нет свободной энергии для этого. Затем атомы начинают слипаться и переходить в одни и те же энергетические состояния. Они становятся идентичными с физической точки зрения, и вся группа начинает вести себя так, как если бы она была одним атомом.
Газы, жидкости, твердые тела и плазма изучались десятилетиями, если не веками, но конденсаты Бозе-Эйнштейна не были созданы в лаборатории до 1990-х годов. Чтобы получить конденсат Бозе-Эйнштейна, вы начинаете с облака диффузного газа. Многие эксперименты начинаются с атомов рубидия. Затем вы охлаждаете его с помощью лазеров, используя лучи, чтобы отобрать энергию у атомов. После этого, чтобы охладить их дальше, ученые используют испарительное охлаждение.
Связанный: Внутри 20-летнего пути к разгадке причудливой реальности «квантовой суперхимии»
«С [Bose-Einstein condensate]«Вы начинаете с неупорядоченного состояния, где кинетическая энергия превышает потенциальную», — рассказал Live Science Сюэдун Ху, профессор физики из Университета Буффало. «Вы охлаждаете его, но он не образует решетку, подобную твердый.»
Вместо этого атомы попадают в одни и те же квантовые состояния и их невозможно отличить друг от друга. В этот момент атомы начинают подчиняться так называемой статистике Бозе-Эйнштейна, которая обычно применяется к частицам, которые вы не можете отличить друг от друга, таким как фотоны или световые пакеты.
Теория и открытия
Конденсаты Бозе-Эйнштейна были впервые теоретически предсказаны в 1920-х годах Сатьендрой Натхом Бозе (1894-1974), индийским физиком, который также открыл субатомную частицу, названную в его честь, бозон. Бозе работал над статистическими проблемами квантовой механики и отправил свои идеи, относящиеся к фотонам, Альберт Эйнштейн согласно Американское физическое общество.
Эйнштейн считал их достаточно важными, чтобы опубликовать их. Не менее важно то, что Эйнштейн увидел, что математика Бозе, позже известная как статистика Бозе-Эйнштейна, может быть применена как к атомам, так и к свету. По данным APS, в 1924 году они опубликовали серию статей, излагающих подробности этой странной формы материи.
Эти двое обнаружили, что обычно атомы должны обладать определенной энергией — фактически, одна из основ квантовой механики заключается в том, что энергия атома или другой субатомной частицы не может быть произвольной. Вот почему, например, у электронов есть отдельные «орбитали», которые они должны занимать, и почему они испускают фотоны определенных длин волн, когда переходят с одной орбитали или энергетического уровня на другую. Но охладите атомы с точностью до миллиардных долей абсолютного нуля, и некоторые атомы начнут переходить на тот же энергетический уровень, становясь неразличимыми. Вот почему атомы в конденсате Бозе-Эйнштейна ведут себя как «суператомы». Когда кто-то пытается измерить, где они находятся, вместо того, чтобы видеть отдельные атомы, мы видим скорее нечеткий шар.
Все остальные состояния материи подчиняются принципу исключения Паули, названному в честь физика Вольфганга Паули. Паули (1900–1958) — швейцарский и американский физик-теоретик австрийского происхождения, один из пионеров квантовой физики. Его принцип гласит, что фермионы — такие частицы, как кварки и лептоны, из которых состоит материя, — не могут находиться в идентичных квантовых состояниях. Вот почему, когда два электрона находятся на одной орбитали, их спины должны быть противоположными, чтобы их сумма составляла ноль. Это, в свою очередь, является одной из причин, почему химия работает именно так и почему атомы не могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время. Конденсаты Бозе-Эйнштейна нарушают это правило.
Хотя работы Бозе и Эйнштейна предсказывали, что такие состояния материи должны существовать, только в 1995 году Эрик А. Корнелл и Карл Э. Виман из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Боулдере, штат Колорадо, удалось сделать один из атомов рубидияи Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института, сделанный из атомов натрия, что мы получили экспериментальное подтверждение их существования. За эту работу трио разделило Нобелевскую премию по физике 2001 года.
В июле 2018 года в ходе эксперимента на Международной космической станции облако атомов рубидия охладилось до десятимиллионной доли градуса выше абсолютного нуля, в результате чего в космосе образовался конденсат Бозе-Эйнштейна. Они повторили демонстрацию БЭК на МКС в 2020 году. Этот эксперимент теперь также является рекордсменом по созданию самого холодного объекта в космосе, который мы знаем, хотя это еще не самое холодное существо, когда-либо созданное человечеством.
А в 2023 году ученые Чикагского университета создали первый БЭК, который продемонстрировал странное явление, названное квантовой суперхимией. В этом странном квантовом явлении отдельные атомы в БЭК химически реагируют одновременно. В ходе эксперимента ученые убедительно показали, что тысячи атомов цезия одновременно соединились, образовав молекулы цезия, а затем почти мгновенно превратились обратно в атомы цезия.
