Bose -Einstein-kondensaatti ( Bose-Einstein-kondensaatti , Bose-kondensaatti ) on aineen aggregoitu tila , joka perustuu bosoneihin , jotka ovat jäähtyneet lähellä absoluuttista nollaa ( alle kelvinin miljoonasosaa). Tällaisessa voimakkaasti jäähtyneessä tilassa riittävän suuri määrä atomeja on mahdollisimman pienissä kvanttitiloissaan ja kvanttivaikutukset alkavat ilmetä makroskooppisella tasolla .
Albert Einstein ennusti teoriassa kvanttimekaniikan lakien seurauksena Shatyendranath Bosen vuonna 1925 työhön perustuen [1] . 70 vuotta myöhemmin, vuonna 1995 , Eric Cornell ja Carl Wiman tuottivat ensimmäisen Bose-kondensaatin Joint Institute for Laboratory Astrophysics -instituutissa (JILA ) , joka on sidoksissa Colorado State University Boulderiin ja National Standards Institute -instituuttiin . Tutkijat käyttivät rubidiumatomien kaasua, joka oli jäähdytetty 170 nanokelviniin (nK) (1,7⋅10 -7 kelviniä ). Tästä työstä heille myönnettiin vuonna 2001 fysiikan Nobel-palkinto Wolfgang Ketterlen kanssa Massachusetts Institute of Technologysta .
Atomien hidastaminen jäähdytyslaitteistolla tuottaa yksittäisen kvanttitilan, joka tunnetaan nimellä Bose-kondensaatti tai Bose-Einstein. Bosen ja Einsteinin ponnistelujen tuloksena syntyi Bose-kaasun käsite, joka noudattaa Bose-Einsteinin tilastoja , joka kuvaa identtisten hiukkasten tilastollista jakautumista kokonaislukuspin, joita kutsutaan bosoneiksi. Bosonit, jotka ovat esimerkiksi sekä yksittäisiä alkuainehiukkasia - fotoneja että kokonaisia atomeja, voivat olla toistensa kanssa samoissa kvanttitiloissa. Einstein ehdotti, että atomien - bosonien - jäähdyttäminen erittäin alhaisiin lämpötiloihin saisi ne menemään (tai toisin sanoen tiivistymään) alimpaan mahdolliseen kvanttitilaan. Tällaisen tiivistymisen tulos on uuden aineen vaiheen ilmaantuminen.
Tämä siirtymä tapahtuu kriittisen lämpötilan alapuolella, joka homogeeniselle kolmiulotteiselle kaasulle, joka koostuu vuorovaikuttamattomista hiukkasista ilman sisäisiä vapausasteita, määritetään kaavalla
missä on kriittinen lämpötila, on hiukkasten pitoisuus, on massa, on Planckin vakio , on Boltzmannin vakio , on Riemannin zeta-funktio , on .
Kriittinen lämpötilalähtöBose-Einsteinin tilastojen mukaan hiukkasten määrä tietyssä tilassa on
missä , on tilassa olevien hiukkasten lukumäärä , on tason degeneraatio , on tilan energia ja on järjestelmän kemiallinen potentiaali .
Etsi lämpötila, jossa kemiallinen potentiaali on nolla. Tarkastellaan vapaiden (vuorovaikuttamattomien) hiukkasten tapausta, jolla on parabolinen dispersiolaki . Integroimalla vaiheavaruuden yli saamme
.Mistä haluttu jo tulee
.Tarkastellaan joukkoa vuorovaikuttamattomia hiukkasia, joista jokainen voi olla kahdessa tilassa ja Jos molempien tilojen energiat ovat samat, niin kaikki mahdolliset konfiguraatiot ovat yhtä todennäköisiä.
Erotettavissa oleville hiukkasille on olemassa erilaisia konfiguraatioita, koska jokainen hiukkanen putoaa itsenäisesti ja yhtä suurella todennäköisyydellä tiloihin tai . Tässä tapauksessa tilassa ja tilassa olevien hiukkasten määrä on lähes yhtä suuri. Tämä tasapaino on tilastollinen vaikutus: mitä pienempi ero on molemmissa tiloissa olevien hiukkasten lukumäärän välillä, sitä suurempi määrä järjestelmän konfiguraatioita ( mikrotiloja ) se toteutuu.
Jos kuitenkin katsomme, että hiukkaset ovat erottamattomia, järjestelmällä on vain erilaiset konfiguraatiot. Jokainen konfiguraatio voidaan liittää tilassa olevien hiukkasten lukumäärään (ja tilassa olevien hiukkasten määrään ); kun taas se voi vaihdella välillä 0 - . Koska kaikki nämä konfiguraatiot ovat yhtä todennäköisiä, tilastollisesti pitoisuutta ei tapahdu - tilassa olevien hiukkasten osuus jakautuu tasaisesti segmentille [0, 1] . Konfiguraatio, jossa kaikki hiukkaset ovat tilassa , toteutuu samalla todennäköisyydellä kuin konfiguraatio, jossa puolet hiukkasista on tilassa ja puolet tilassa tai konfiguraatio, jossa kaikki hiukkaset ovat tilassa
Jos nyt oletetaan, että näiden kahden tilan energiat ovat erilaiset (olkoon tarkkuuden vuoksi hiukkasen energia tilassa suurempi kuin tilassa arvolla ), niin lämpötilassa hiukkanen on todennäköisemmin valtio . Todennäköisyyksien suhde on .
Erotettavissa olevien hiukkasten tapauksessa niiden lukumäärä ensimmäisessä ja toisessa tilassa ei ole sama, mutta populaatiosuhde on silti lähellä yksikköä johtuen edellä mainitusta järjestelmän tilastollisesta taipumuksesta konfiguraatioihin, joissa populaatioero on pieni (nämä makrotilat tarjotaan suurimmalla määrällä kokoonpanoja).
Päinvastoin, kun hiukkasia ei voida erottaa, populaatiojakauma siirtyy merkittävästi valtion eduksi , ja hiukkasten määrän kasvaessa tämä muutos lisääntyy, koska ei ole tilastollista painetta kohti pientä populaatioeroa ja käyttäytyminen Järjestelmän arvon määrää vain suurempi todennäköisyys, että hiukkanen (millä tahansa äärellisellä lämpötilalla) miehittää alhaisemman energiatason.
Jokainen arvo määrittää erottamattomille hiukkasille tietyn järjestelmän tilan, jonka todennäköisyyttä kuvaa Boltzmann-jakauma , ottaen huomioon, että järjestelmän energia tilassa on yhtä suuri (koska täsmälleen hiukkaset vievät energian tason ) . Todennäköisyys, että järjestelmä on tässä tilassa:
.Riittävän suurelle normalisointivakio on . Raja -tilassa olevien hiukkasten odotettu määrä on . Suurella tasolla tämä arvo käytännössä lakkaa kasvamasta ja pyrkii vakioon, eli suurelle määrälle hiukkasia ylemmän tason suhteellinen populaatio on mitättömän pieni. Näin ollen termodynaamisessa tasapainossa suurin osa bosoneista on alhaisimman energian tilassa ja vain pieni osa hiukkasista on toisessa tilassa riippumatta siitä, kuinka pieni ero energiatasoissa on.
Tarkastellaan nyt hiukkasten kaasua, joista jokainen voi olla jossakin liikemäärän tilassa, jotka on numeroitu ja merkitty seuraavasti: Jos hiukkasten lukumäärä on paljon pienempi kuin tietyssä lämpötilassa käytettävissä olevien tilojen lukumäärä, kaikki hiukkaset ovat eri tilassa. tasot, eli kaasu on tässä rajassa käyttäytyy kuin klassikko. Kun tiheys kasvaa tai lämpötila laskee, hiukkasten määrä käytettävissä olevaa energiatasoa kohti kasvaa, ja jossain vaiheessa hiukkasten lukumäärä kussakin tilassa saavuttaa suurimman mahdollisen hiukkasten määrän kyseisessä tilassa. Tästä hetkestä alkaen kaikki uudet hiukkaset pakotetaan menemään tilaan, jossa on alhaisin energia.
Faasimuutoslämpötilan laskemiseksi tietyllä tiheydellä on tarpeen integroida kaikkiin mahdollisiin momentteihin viritetyssä tilassa olevien hiukkasten enimmäismäärän lauseke :
Laskemalla tämä integraali ja korvaamalla kertoimella ħ vaaditut mitat saadaan kriittisen lämpötilan kaava edellisestä kappaleesta. Siten tämä integraali määrittää kriittisen lämpötilan ja hiukkaspitoisuuden, joka vastaa merkityksettömän pienen kemiallisen potentiaalin olosuhteita . Bose-Einsteinin tilastojen mukaan sen ei tarvitse olla tiukasti yhtä suuri kuin nolla, jotta Bose-kondensaatti esiintyy; kuitenkin pienempi kuin järjestelmän perustilan energia. Tämän vuoksi useimpia tasoja tarkasteltaessa kemiallista potentiaalia voidaan pitää suunnilleen nollana, paitsi tapauksissa, joissa perustilaa tutkitaan.
Vuonna 1924 Zeitschrift für Physik Shatyendranath Bose julkaisi artikkelin valokvanttien (nykyään fotoneiksi) kvanttitilastoista, jossa hän johti Planckin säteilyn kvanttilain viittaamatta klassiseen fysiikkaan. Bose lähetti tämän artikkelin ensin Einsteinille, joka oli niin vaikuttunut, että hän itse käänsi asiakirjan englannista saksaksi ja antoi sen Boselle julkaistavaksi [2] . Einsteinin käsikirjoitusta pidettiin pitkään kadonneena, mutta vuonna 2005 se löydettiin Leidenin yliopiston kirjastosta [3] .
Vuonna 1925 Einstein ennusti Bosen työhön perustuen teoreettisesti Bose-Einstein-kondensaatin olemassaolon kvanttimekaniikan lakien seurauksena [1] . Einstein laajensi sitten Bosen ideoita muissa papereissa [4] [5] . Heidän ponnistelunsa tuloksena syntyi Bose-kaasun käsite , jota säätelevät Bose-Einsteinin tilastot. Se kuvaa kokonaislukuspin omaavien, erottamattomien hiukkasten tilastollista jakautumista, joita nykyään kutsutaan bosoneiksi. Bosonit, jotka sisältävät fotoneja, sekä atomit, kuten helium-4 , voivat olla samassa kvanttitilassa. Einstein teoriassa, että bosonisten atomien jäähdyttäminen erittäin alhaiseen lämpötilaan saattaisi ne putoamaan (tai "tiivistymään") alimpaan saatavilla olevaan kvanttitilaan, mikä johtaisi uuteen aineen muotoon.
Vuonna 1938 Fritz London ehdotti, että Bose-Einstein-kondensaatti on mekanismi superfluiditeetin ilmaantumiselle 4 He :ssä ja suprajohtavuudessa [6] .
Vuonna 1995 Eric Cornell ja Carl Wieman Yhdysvaltain kansallisesta standardi- ja teknologiainstituutista onnistuivat jäähdyttämään laserjäähdytyksellä noin 2 tuhatta rubidium-87- atomia 20 nanokelvinin lämpötilaan ja vahvistamaan kokeellisesti Bose-Einstein-kondensaatin olemassaolon. kaasuissa, joista he yhdessä Wolfgang Ketterlen kanssa , jotka neljä kuukautta myöhemmin tuottivat natriumatomien Bose-Einstein-kondensaattia käyttäen periaatetta pitää atomit magneettiloukussa , saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2001 [7] .
Vuonna 2000 ryhmä Harvardin yliopiston tutkijoita onnistui hidastamaan valon nopeuteen paljon alle 0,2 mm/s suuntaamalla sen Bose-Einsteinin rubidiumkondensaattiin [8] [9] . Tätä ennen alhaisin virallisesti mitattu valonnopeus väliaineessa oli hieman yli 60 km/h - natriumhöyryn läpi lämpötilassa -272 °C [10] .
Vuonna 2010 fotonien Bose-Einstein-kondensaatti saatiin ensimmäistä kertaa [11] [12] [13] .
Vuoteen 2012 mennessä käyttämällä erittäin alhaisia lämpötiloja , 10–7 K ja alle, oli mahdollista saada Bose-Einstein-kondensaatteja monille yksittäisille isotoopeille : ( 7 Li , 23 Na , 39 K , 41 K , 85 Rb , 87 Rb , 133 Cs , 52 Cr , 40 Ca , 84 Sr , 86 Sr , 88 Sr , 174 Yb , 164 Dy ja 168 Er ) [14] .
Vuonna 2014 NASAn Cold Atom Laboratoryn ( CAL ) jäsenet ja Kalifornian teknologiainstituutin tutkijat Pasadenassa onnistuivat luomaan Bose-Einstein-kondensaatin kansainvälisellä avaruusasemalla toimimaan suunnitellun laitoksen maaprototyyppiin [15] . Kesällä 2018 ISS:lle lähetettiin täysin toimiva laitteisto Bose-Einstein-kondensaatin luomiseksi ilman painovoimaa. Vuonna 2020 se sai ensimmäisenä Bose-Einstein-kondensaatin ISS:lle [16] .
Vuonna 2018 Igor Tkatšovin johtamat venäläiset fyysikot kehittivät teorian, jonka mukaan voi olla bosoneista koostuvia tähden kokoisia esineitä, jotka painovoiman vaikutuksesta vuorovaikutuksessa muodostavat Bose-Einstein-kondensaatin rajallisessa ajassa. Nämä hypoteettiset objektit ovat ehdokkaita rooliin. kylmä pimeä aine [17] .
Vuonna 2020 tutkijat raportoivat suprajohtavan Bose-Einstein-kondensaatin syntymisestä ja että Bardeen-Cooper-Schriefferin teorian BEC-järjestelmien ja suprajohtavuuden välillä näyttää olevan "tasainen siirtymä" [18] [19] .
Vuonna 2022 tutkijat raportoivat ensimmäisestä jatkuvasta Bose-Einstein-kondensaatin tuotannosta. Aiemmin haihdutusjäähdytyksen rajoituksista johtuen kaikki tutkijat rajoittuivat vain pulssilliseen BEC-toimintaan, joka sisältää erittäin tehottoman käyttöjakson, jossa yli 99 % atomeista menetetään ennen siirtymistä BEC-tilaan. Edellytysten luomisesta jatkuvalle Bose-Einstein-kondensaatin kondensaatiolle on tullut tärkeä virstanpylväs BEC:n kokeellisissa tutkimuksissa [20] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat | ||||
---|---|---|---|---|
|
Aineen termodynaamiset tilat | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Vaiheen tilat |
| ||||||||||||||||
Vaiheen siirtymät |
| ||||||||||||||||
Hajotusjärjestelmät | |||||||||||||||||
Katso myös |