BOSE-EYNSHTEYN KOndensatsiyasi(Bose kondensatsiyasi) - kvant hodisasi, ko'p sonli zarralar tizimida bo'ysunishidan iborat Bose - Eynshteyn statistikasi(Bose gazi yoki Bose suyuqligi), past haroratda harorat degeneratsiyasi nol impulsli holatda tizimning barcha zarrachalarining cheklangan qismi mavjud. "B-E. to." atamasi. bu hodisaning gazning suyuqlikka kondensatsiyasi bilan oʻxshashligiga asoslanadi, garchi bu hodisalar butunlay boshqacha boʻlsa-da, chunki B. - E. to. davrida u moment fazosida sodir boʻladi va zarrachalarning koordinatada taqsimlanishi sodir boʻladi. bo'sh joy o'zgarmaydi. 1925 yilda A. Eynshteyn (A. Eynshteyn) tomonidan qurilgan va 1938 yilda F. London (F. London) tomonidan ishlab chiqilgan B.-E. to. nazariyasi.

BEC hatto ideal Bose gazida ham sodir bo'lganligi sababli, ular orasidagi o'zaro ta'sirlardan emas, balki zarrachalarning to'lqin funktsiyasining xususiyatlaridan kelib chiqadi. dan ideal Bose gazi uchun Bose - Eynshteyn taqsimoti

(qaerda T- abs. temp-pa, e R- impulsli zarrachaning energiyasi - kimyo. potentsial) shundan kelib chiqadiki, eng past energiyada. zarralar bilan holati. Ijobiylikdan kelib chiqadiki, agar degeneratsiya omili 1 ga yaqin bo'lsa, c holatda zarrachalar ko'p bo'lishi mumkin. Shuning uchun cp ni hisoblashda c zarrachalarining hissasini e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi. miqdorlar. Hajmdagi zarrachalar umumiy sonining doimiyligi shartidan V quyidagi ur-tion uchun:

termal harakatga mos keladigan de Broyl to'lqin uzunligi, t zarrachaning massasi. Bu yerdan T0- Bose kondensatsiyasi tezligi yoki degeneratsiya tezligi, izda yozilgan holatdan topiladi. shakl: .

Da T=0 barcha zarralar kondensatda, kondensatda esa faqat N 0 zarralar, qolganlari esa ga bo'ysunadi. Qachonki bosim faqat haroratning funktsiyasi bo'lib, hajmga bog'liq emas, chunki impulsga ega bo'lmagan kondensat zarralari bosimga hissa qo'shmaydi. At , issiqlik sig'imi hosilasi cheklangan sakrashni boshdan kechiradi, issiqlik sig'imi, energiya va bosimning o'zi esa doimiy bo'lib qoladi, shuning uchun tizim o'ziga xos fazali o'tishni boshdan kechiradi.

da, qaerda a o'zaro ta'sir potentsiali uchun tarqalish uzunligi. Agar zichlik kichik bo'lmasa, u holda kondensatdagi zarrachalar sonini variatsion usul bilan hisoblash mumkin. Diametrli qattiq sharlar sifatida molekulalarning o'zaro ta'siri bilan Bose suyuqligi uchun b

Sm uchun sm 3 shuning uchun 0,08 ga teng. Neytronlarning tarqalishiga asoslangan hisob-kitoblarga ko'ra, kondensatning zichligi bir necha % va o'ta suyuqlik komponentining zichligi bilan taxminan bir xil haroratga bog'liq. Biroq, kondensat zarrachalarining zichligini va o'ta suyuqlik komponentining zichligini aniqlab bo'lmaydi, chunki da T=0 Barcha suyuqliklar o'ta suyuqlikdir, garchi uning barcha zarralari kondensatda bo'lmasa ham.

Bose-Eynshteyn kondensati - materiyaning beshinchi holati

Bose-Eynshteyn kondensati - o'ziga xos agregatsiya holati O'ta past harorat sharoitida asosan bozonlar bilan ifodalanadigan materiyaning agregat holati.

Bu Bose gazining kondensatsiyalangan holati - bozonlardan tashkil topgan va kvant mexanik ta'sirga duchor bo'lgan gaz.

Bose-Eynshteyn statistikasi

1924 yilda hind fizigi Satyendra Nath Bose bozonlarni, butun spinli zarralarni tasvirlash uchun kvant statistikasini taklif qildi, ular ham uning nomi bilan atalgan. 1925-yilda Albert Eynshteyn Bosening statistik maʼlumotlarini butun spinli atomlardan tashkil topgan tizimlarga qoʻllash orqali uning ishini umumlashtirdi. Bunday atomlarga, masalan, geliy-4 atomlari kiradi. Fermiyonlardan farqli o'laroq, bozonlar Pauli istisno tamoyiliga bo'ysunmaydi, ya'ni bir nechta bozonlar bir xilda bo'lishi mumkin. kvant holati.

Bose-Eynshteyn statistikasi butun yoki nol spinli zarrachalarning taqsimlanishini tasvirlashga qodir. Bundan tashqari, bu zarralar o'zaro ta'sir qilmasligi va bir xil, ya'ni farqlanmasligi kerak.

Bose-Eynshteyn kondensati

Bose-Eynshteyn kondensati butun spinli zarralar yoki atomlardan tashkil topgan gazdir. Ma'lumki, zarralar bir vaqtning o'zida bir nechta kvant holatlarini - kvant effektlari deb ataladigan holatni qabul qila oladi. Eynshteynning ishiga ko'ra, harorat pasayganda, zarracha uchun mavjud bo'lgan kvant holatlar soni kamayadi. Buning sababi shundaki, harorat pasayganda, zarralar tobora ko'proq eng past energiya holatlarini afzal ko'radi. Bozonlar bir vaqtning o'zida bir xil holatda bo'lishi mumkinligini hisobga olsak, haroratning pasayishi bilan ular bir xil holatga o'tadi.

Shunday qilib, Bose-Eynshteyn kondensati bir xil holatda bo'lgan ko'plab o'zaro ta'sir qilmaydigan zarralardan iborat bo'ladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, harorat pasayganda, zarrachalarning to'lqinli tabiati tobora kuchayib boradi. Chiqishda biz makromiqyosda bitta kvant-mexanik to'lqinga ega bo'lamiz.

Rubidiy atomlari gazi uchun tezlikni taqsimlash ma'lumotlari (3 turdagi), materiyaning yangi bosqichi, Bose-Eynshteyn kondensatining kashf qilinishini tasdiqlaydi. Chapda: Bose-Eynshteyn kondensatining paydo bo'lishidan oldin. Markaz: kondensatsiya paydo bo'lgandan keyin darhol. O'ng: keyingi bug'lanishdan so'ng, deyarli toza kondensat namunasini qoldirib.

Bose-Eynshteyn kondensatini qanday olish mumkin?

Birinchi marta bunday agregatsiya holatiga 1995 yilda erishilgan. Amerikalik fiziklar Milliy standartlar va texnologiyalar institutidan Erik Kornel va Karl Viman. Tajribada lazerli sovutish texnologiyasi qo'llanildi, buning yordamida namunaning haroratini 20 nanokelvingacha tushirish mumkin edi. Rubidiy-87 gaz uchun material sifatida ishlatilgan, uning 2 ming atomi Bose-Eynshteyn kondensati holatiga o'tgan. To'rt oy o'tgach, nemis fizigi Volfgang Ketterle ham kondensatga ancha katta hajmda etib keldi. Shunday qilib, olimlar 2001 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan ultra past haroratlar sharoitida "agregatsiyaning beshinchi holati" ga erishish imkoniyatini eksperimental ravishda tasdiqladilar.

2010 yilda Martin Veyts boshchiligidagi Bonn universitetining nemis olimlari xona haroratida fotonlardan Bose-Eynshteyn kondensatini olishdi. Buning uchun ikkita kavisli oynali kamera ishlatilgan, ular orasidagi bo'shliq asta-sekin fotonlar bilan to'ldirilgan. Bir nuqtada, ichkarida "boshlangan" fotonlar, ilgari mavjud bo'lgan fotonlardan farqli o'laroq, endi muvozanat energiya holatiga erisha olmadi. Ushbu "qo'shimcha" fotonlar bir xil eng past energiya holatiga o'tib, yig'ilishning beshinchi holatini hosil qila boshladilar. Ya'ni, olimlar fotonlardan xona haroratida, sovutmasdan kondensat olishga muvaffaq bo'lishdi.

2012 yilga kelib ko'plab boshqa izotoplardan, shu jumladan natriy, litiy, kaliy va boshqalar izotoplaridan kondensat olish mumkin edi. 2014 yilda esa kondensat yaratish qurilmasi muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi, u 2017 yilda Xalqaro kosmosga yuboriladi. vaznsizlikda tajribalar o'tkazish stantsiyasi.

Kondensatni qo'llash

Ushbu hodisani tasavvur qilish qiyin bo'lsa-da, har qanday kvant effektlari kabi, bunday moddani keng ko'lamli muammolarda qo'llash mumkin. Bose-Eynshteyn kondensatini qo'llashga misollardan biri atom lazeridir. Ma'lumki, lazer tomonidan chiqarilgan nurlanish kogerentdir. Ya'ni, bunday nurlanishning fotonlari bir xil energiya, faza va to'lqin uzunligiga ega. Agar fotonlar Bose-Eynshteyn kondensatidagi kabi bir xil kvant-mexanik holatda bo'lsa, u holda yanada samarali lazer uchun radiatsiya olish uchun bu sovutilgan moddani sinxronlashtirish mumkin. Bunday atom lazeri 1997 yilda kondensat yaratgan birinchi olimlardan biri bo'lgan Volfgang Ketterle boshchiligida yaratilgan.

2010 yilda nemis olimlari tomonidan qo'llanilgan fotonlardan kondensat olish usuli quyosh energiyasida qo'llanilishi mumkin. Ayrim fiziklarning fikricha, bu bulutli ob-havo sharoitida quyosh batareyalarining samaradorligini oshiradi.

Bose-Einshteyn kondensati - Grafik vizualizatsiya

Bose - Eynshteyn kondensati nisbatan yaqinda olinganligi sababli, uning qamrovi hali aniq belgilanmagan. Biroq, turli olimlarning fikriga ko'ra, kondensat ko'plab sohalarda, tibbiy asbob-uskunalar, kvant kompyuterlari uchun foydali bo'lishi mumkin.

Biograflar Eynshteyn hayotining so'nggi 30 yilini umuman e'tibordan chetda qoldirib, ularni noqulay, dahoga loyiq bo'lmagan narsa, uning tiniq tarixidagi dog' sifatida ko'rishadi. Biroq so‘nggi o‘n yilliklardagi ilmiy taraqqiyot Eynshteyn merosiga mutlaqo yangicha qarash imkonini berdi. Gap shundaki, uning ishi shunchalik fundamental ediki, inson bilimining asosini shu qadar ag'dardiki, Eynshteynning ta'siri fizikada hamon seziladi. Eynshteyn urug'larining ko'pchiligi hozir, 21-asrda unib chiqmoqda, birinchi navbatda, bizning asboblarimiz - kosmik teleskoplar, kosmik rentgen observatoriyalari, lazerlar - uning bir necha o'n yillar oldin qilgan turli bashoratlarini sinab ko'rish uchun etarlicha kuchli va sezgir bo'lib qolgani uchun.

Aytish mumkinki, Eynshteynning stol parchalari bugungi kunda olimlarga Nobel mukofotini qo‘lga kiritishda yordam bermoqda. Qolaversa, supertorlar nazariyasi paydo bo‘lishi bilan bir paytlar masxara va kamsituvchi mulohazalar obyekti bo‘lgan Eynshteynning barcha kuchlarni umumlashtirish kontseptsiyasi endi nazariy fizika olamining markaziga kirib bormoqda. Ushbu bobda Eynshteyn merosi yashaydigan va fizika olamida hukmronlik qiladigan uchta sohadagi yangi ishlanmalar muhokama qilinadi: kvant nazariyasi, umumiy nisbiylik va kosmologiya va yagona maydon nazariyasi.

1924 yilda Eynshteyn birinchi marta Bose-Eynshteyn kondensati haqida o'z maqolasini yozganida, u bu qiziq hodisa yaqin kelajakda kashf etilishini o'ylamagan edi. Darhaqiqat, barcha kvant holatlari ulkan superatomga qulashi uchun materiallarni deyarli mutlaq nolga sovutish kerak edi.

Biroq, 1995 yilda Milliy standartlar va texnologiyalar instituti xodimi Erik Kornel va Kolorado universitetidan Karl Viman buni amalga oshirib, mutlaq noldan yigirma milliarddan bir daraja yuqori haroratda 2000 rubidiy atomidan iborat sof Bose-Eynshteyn kondensatini ishlab chiqarishdi. Bundan tashqari, Massachusets texnologiya instituti xodimi Volfgang Ketterle mustaqil ravishda Bose-Eynshteyn kondensatini oldi, unda muhim tajribalar o'tkazish uchun etarli miqdorda natriy atomlari mavjud. U bu atomlarning atomlar bir-biri bilan muvofiqlashtirilgan holatiga mos keladigan interferentsiya naqshini ko'rsatishini isbotladi. Boshqacha qilib aytganda, ular Eynshteyn 70 yil oldin bashorat qilgan superatom kabi harakat qilishgan.

Kondensatning amaliy qo'llanilishi Bose - Eynshteyn hali oldinda, anglash jarayoni esa

Topilmaning dastlabki e'lonidan so'ng, bu gullab-yashnagan hududda mo'l-ko'l yomg'ir yog'ildi. 1997 yilda MITda Ketterle va uning hamkasblari Bose-Eynshteyn kondensatidan foydalangan holda dunyodagi birinchi "atom lazerini" yaratdilar. Ma'lumki, lazer nurining ajoyib xossalari fotonlarning bir-biri bilan uyg'un harakatlanishi bilan bog'liq, oddiy yorug'lik esa tartibsiz va izchil emas. Chunki materiya ham bor to'lqin xususiyatlari, fiziklar fikricha, atomlar oqimini izchil qilish mumkin; ammo Bose-Eynshteyn kondensatining yo'qligi sababli bu yo'nalishdagi taraqqiyot to'xtab qoldi. Endi fiziklar avvaliga atomlar to‘plamini sovutib, ularni kondensatga aylantirib, so‘ngra atomlarning sinxron nurini qurgan bu kondensatga lazer nurini yo‘naltirish orqali o‘z maqsadiga erishdilar.

2001 yilda Kornel, Uiman va Ketterl fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi. Nobel qo'mitasi ularni "uchun eksperimental kuzatish Atomlarning siyrak gazlarida Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi ishqoriy metallar va bunday kondensatlarning xususiyatlarini birinchi fundamental tadqiqotlar uchun. Bose-Einshteyn kondensatini amaliy qo'llash hali oldinda, hozircha faqat xabardorlik jarayoni davom etmoqda. Atom lazer nurlari kelajakda nanotexnologiyalar uchun qimmatli vosita bo'lishi mumkin. Ehtimol, ular individual atomlarni manipulyatsiya qilishga imkon beradi va kelajakdagi kompyuterlarda yarimo'tkazgichlar uchun atom plyonkalarining qatlamlarini yaratadi.

Atom lazerlaridan tashqari, ba'zi olimlar kvant kompyuterlarini qurish haqida gapirishmoqda. (alohida atomlar yordamida hisoblaydigan kompyuterlar) Bose-Eynshteyn kondensatiga asoslangan bo'lib, u oxir-oqibat an'anaviy kremniyli kompyuterlarni almashtirishi mumkin. Boshqalar, yashirin massa yoki qorong'u materiya Bose-Eynshteyn kondensatining bir qismidan iborat bo'lishi mumkinligini aytishadi. Agar shunday bo'lsa, demak, koinotdagi materiyaning ko'p qismini aynan shu g'alati holatda topish mumkin.

Bundan tashqari, Eynshteynning ishi kvant fiziklarini ushbu nazariyaning asl Kopengagen talqiniga sodiqliklarini qayta ko'rib chiqishga majbur qildi. O'tgan asrning 30-40-yillarida, kvant fiziklari Eynshteynning orqasida quvnoq kulayotganlarida, zamonaviy fizikaning bu gigantini e'tiborsiz qoldirish unchalik qiyin emas edi, chunki u erda muhim kashfiyotlar kvant fizikasi deyarli har kuni amalga oshiriladi. Kim asosiy qoidalarni tekshirishga vaqt sarflashga tayyor edi kvant nazariyasi fiziklar Nobel mukofotlarini shoxdagi olma kabi yig'ishga shoshilganlarida? Metalllarning, yarim o'tkazgichlarning, suyuqliklarning, kristallarning va boshqa materiallarning xossalari bo'yicha yuzlab hisob-kitoblar amalga oshirildi, ularning natijalari osongina butun sanoat tarmoqlarini yaratishga olib kelishi mumkin edi. Qolganlarga shunchaki vaqt yo'q edi. Natijada, fiziklar o'nlab yillar davomida Kopengagen maktabining "gilam ostidan supurib" talqin qilishlariga oddiygina o'rganib qolishdi, ularga javobi yo'q chuqur falsafiy savollar. Borning Eynshteyn bilan tortishuvlari unutildi. Biroq, bugungi kunda, materiya haqidagi ko'plab "oddiy" savollarga aniq javob berilganda, Eynshteyn tomonidan qo'yilgan ancha murakkab savollar hali ham javobsiz qolmoqda. Xususan, butun dunyo bo'ylab o'nlab xalqaro konferentsiyalar mavjud bo'lib, ularda fiziklar 7-bobda eslatib o'tilgan Shredingerning mushuk muammosini qayta ko'rib chiqmoqdalar. Endi eksperimentchilar alohida atomlarni qanday boshqarishni o'rganishdi, mushuk muammosi endi faqat akademik emas. Bundan tashqari, dunyo boyligining muhim ulushini belgilovchi kompyuter texnologiyalarining yakuniy taqdiri uning qaroriga bog'liq bo'lishi mumkin, chunki kelajakdagi kompyuterlar, ehtimol, alohida atomlardan qurilgan tranzistorlar ustida ishlaydi.

Biz devorning narigi tomonida yashaymiz bu erda barcha to'lqinlar ishlaydi allaqachon qulab tushgan

Bugungi kunda Borning Kopengagen maktabi barcha muqobil variantlardan mushuk muammosiga eng kam jozibador javobni taklif qilishi tan olingan, garchi hozirgacha Borning asl talqinidan eksperimental og'ishlar topilmagan. Kopengagen maktabi biz atrofimizda ko'radigan daraxtlar, tog'lar va odamlarning kundalik makroskopik olamini kvantlar va to'lqinlarning sirli kontr-intuitiv mikroskopik dunyosidan ajratib turadigan "devor" mavjudligini taxmin qiladi. Mikroskopik dunyoda elementar zarralar mavjudlik va yo'qlik o'rtasidagi oraliq holatda mavjud. Biroq, biz devorning narigi tomonida yashaymiz, u erda barcha to'lqin funktsiyalari allaqachon qulab tushgan, shuning uchun bizning makroskopik olam biz uchun barqaror va aniq belgilangan ko'rinadi. Boshqacha qilib aytganda, devor kuzatuvchini kuzatilayotgan ob'ektdan ajratib turadi.

Ba'zi fiziklar, shu jumladan Nobel mukofoti laureati Evgeniy Vigner, bundan ham uzoqroqqa boring. Vigner ta'kidlaganidek, kuzatishning asosiy elementi ongdir. Mushukning haqiqatini kuzatish va aniqlash uchun ongli kuzatuvchi kerak. Ammo kuzatuvchini kim kuzatmoqda? Kuzatuvchiga ham kuzatuvchi kerak ("Vignerning do'sti" deb ataladi), bu kuzatuvchining tirikligini aniqlaydi. Ammo bu cheksiz kuzatuvchilar zanjirining mavjudligini anglatadi, ularning har biri qo'shnisini kuzatadi va oldingi kuzatuvchining tirik va sog'lom ekanligini aniqlaydi. Vigner uchun bu qayerdadir, ehtimol, olamning tabiatini belgilaydigan qandaydir kosmik ong borligini anglatardi! U shunday deb yozgan edi: "O'rganishning o'zi tashqi dunyo ong mazmuni yakuniy voqelikdir, degan xulosaga olib keldi. Ba'zilar bu borada Xudoning mavjudligini, ba'zi kosmik ongni yoki koinotning o'zi qandaydir tarzda ongli ekanligini isbotlaydi, deb bahslashdi. Bir paytlar Plank aytganidek: "Fan tabiatning yakuniy jumboqini hal qila olmaydi. Buning sababi, oxir-oqibat, biz o'zimiz hal qilmoqchi bo'lgan sirning bir qismimiz."

O'nlab yillar davomida boshqa talqinlar taklif qilingan. 1957 yilda o'sha paytda fizik Jon Uilerning aspiranti bo'lgan Xyu Everett mushuk muammosining eng radikal yechimini taklif qildi, unda barcha mumkin bo'lgan olamlar bir vaqtning o'zida mavjud bo'lgan "ko'p dunyolar" nazariyasi. Mushuk haqiqatan ham bir vaqtning o'zida o'lik va tirik bo'lishi mumkin, chunki koinotning o'zi ikkiga bo'lingan. Bu g'oyaning oqibatlari, ochig'ini aytganda, noqulay, chunki u koinotning har bir kvant lahzasini doimiy ravishda ikkiga bo'lib, cheksiz sonli kvant olamlarini hosil qilishini anglatadi. Dastlab shogirdining g‘oyasini qizg‘in qo‘llab-quvvatlagan Uilerning o‘zi, keyinchalik bunday yondashuv bilan bog‘liq bo‘lgan “metafizik yuk” haddan tashqari ko‘pligini aytib, undan voz kechdi. Tasavvur qiling, kosmik nur o‘z vaqtida Uinston Cherchillning onasi qornini teshib o‘tib, homilaning tushishiga sabab bo‘ladi. Shunday qilib, bitta kvant hodisasi bizni Angliya xalqini va butun dunyoni Adolf Gitlerning qotil kuchlariga qarshi kurashishga undashga qodir bo'lgan Cherchill tug'ilmagan koinotdan ajratib turadi. Unda parallel koinot Natsistlar Ikkinchisida g'alaba qozongan bo'lishi mumkin jahon urushi va dunyoning ko'p qismini qul qilib oldi. Yoki kvant hodisalari qo‘zg‘atgan quyosh shamoli 65 million yil avval Meksikaning Yukatan yarim oroliga urilgan va dinozavrlarni yo‘q qilgan kometa yoki meteoritni uchirib yuborgan dunyoni tasavvur qiling. O'sha parallel koinotda odam umuman paydo bo'lmagan va men hozir yashayotgan Manxettenda yirtqich dinozavrlar yashaydi.

Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi

Shubhasiz, zamonaviy fizikaning eng ta'sirli natijalaridan biri 1995 yilda olingan Bose-Eynshteyn kondensatsiyasining eksperimental isboti edi. 1924 yilda Eynshteyn materiyaning maxsus holati mavjudligini bashorat qildi, unda ma'lum xususiyatlarga ega bo'lgan barcha atomlar deyiladi. bozonlar (spinlari h ga bo'linadigan) bir xil holatda qolishi mumkin kvant xossalari. 1995-yilda. 1995-yilda Milliy standartlar va texnologiyalar instituti xodimi Erik Kornel (1962-yilda tug‘ilgan) va Kolorado universitetining Karl Uiman (1951-yilda tug‘ilgan) rubidiy atomlarini lazer nurlari bilan sovutib, ularni magnitda ushlay oldilar. tuzoq. Keyinchalik sovutish bug'lanishli sovutish deb ataladigan usul yordamida amalga oshirildi, u bir piyola choy sovutilgandek ishlaydi, ya'ni. issiqroq atomlarning chiqib ketishiga imkon beradi.

Juda past haroratga erishilganda, yangi holatdagi atomlar oddiy gazdagi kabi o'zboshimchalik bilan harakat qilish o'rniga bir xil tezlikda va bir yo'nalishda birgalikda harakatlana boshlaydi. Atomlar o'z individualligini yo'qotadi va endi yagona kollektiv birlikka aylanadi. Ularning uyushgan konfiguratsiyasi g'ayrioddiy xususiyatlarni keltirib chiqaradi. Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi rubidiy-87 atomlari bulutida olingan, ular ~170 nK gacha sovutilgan. Eng to'liq namunada 2000 ga yaqin atomlar mavjud bo'lib, ular 15 soniyadan ko'proq vaqt davomida bitta kvant holatida edi. Volfgang Ketterl (1957 yilda tug'ilgan) va uning MITdagi (AQSh) guruhi yuz barobar ko'p atomlarni o'z ichiga olgan natriy-23 kondensatini olishga muvaffaq bo'ldi. Kornell, Ketterl va Viman 2001 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi, ular "kam uchraydigan gazlarda Bose-Eynshteyn kondensatsiyasiga erishganliklari va bu kondensatning xossalarini kashshof, fundamental tadqiqotlari uchun" olishgan. Bose-Eynshteyn kondensati yordamida ba'zi jihatlarni o'rganish mumkin kvant mexanikasi va, ehtimol, o'ta o'tkazuvchanlik fenomenini yaxshiroq tushunish (ba'zi materiallarning mulki butunlay yo'qoladi elektr qarshilik). Koinotning kelib chiqishi ham ba'zi nazariyalarda Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi bilan bog'liq.

Bunday kondensatsiyalangan atomlarning oddiy atomlarga nisbatan xatti-harakati lazer nuri va oddiy chiroq nuri o'rtasidagi farqni eslatadi. Lazer nurida barcha fotonlar fazada bo'ladi, bu xususiyat lazer nurlarini kuchli va juda kichik nuqtaga qaratishga qodir. Xuddi shunday, Bose-Eynshteyn kondensatidagi barcha atomlar fazada va fiziklar ularni "atom lazeri" bo'lishi uchun harakat qilishmoqda. Atomlarning bunday nurlari hayratlanarli darajada kichik miqyosda manipulyatsiya va o'lchovlarni amalga oshirishga imkon beradi. Atom lazerida barcha atomlar birdek harakatlanishi mumkin. Bunday atom lazerlari oddiy fotolitografiya o'rniga atomlarni substratga ajoyib aniqlik bilan joylashtirish uchun ishlatilishi mumkin edi. Atom interferometrini qurish mumkin edi, chunki atomlarning to'lqin uzunliklari (de Broyl to'lqinlari) yorug'likdan ancha kichik bo'lganligi sababli, lazer interferometriga qaraganda aniqroq o'lchovlarni amalga oshirishi mumkin. Bu aniqroq atom soatlarini yaratish, optiklarga o'xshash chiziqli bo'lmagan o'zaro ta'sirlarni olish va o'rganish imkonini beradi va hokazo.

Biz lazerlarning boshqa ko'plab ilovalari va kelajakdagi istiqbollarini tasavvur qilishimiz mumkin edi, ammo biz aytilganlar bugungi jamiyatda lazer qurilmalarining ajoyib imkoniyatlarini tushunish uchun etarli deb umid qilamiz.

24-noyabr, payshanba kuni eng nufuzli ilmiy jurnallardan birida - Tabiat- birinchi marta fotonlar asosida Bose-Eynshteyn kondensatini olishga muvaffaq bo'lgan olimlar tomonidan maqola paydo bo'ldi. Ehtimol, ko'pchilik o'quvchilar uchun oldingi jumla hech narsa demagan - va ajablanarli emas. Bose-Eynshteyn kondensati moddaning juda o'ziga xos, ammo nihoyatda qiziqarli shakli bo'lib, ba'zan uning beshinchi holati deb ataladi, qattiq, suyuq, gazsimon va plazmaga teng. Modda shu holatda bo'lganda, unda makro darajada kvant effektlari paydo bo'la boshlaydi - aslida Bose-Eynshteyn kondensati katta (juda katta) kvant zarrasidir.

Nazariya

Fotonlarga asoslangan Bose-Eynshteyn kondensati (BEC) BECning juda "ilg'or" versiyasidir va juda uzoq vaqt davomida uni printsipial ravishda olish mumkin emas deb hisoblangan. Ammo bu haqda gapirishdan oldin, Bose-Eynshteyn kondensati nima ekanligini tushuntirishga arziydi. Hindistonni ushbu kontseptsiyaning tug'ilgan joyi deb hisoblash mumkin - u erda ko'pincha odam yashagan va ishlagan, bu birinchi marta materiyaning ilgari noma'lum holatining mavjudligini ko'rsatgan. Bu odamning ismi Shatyendranath Bose edi va u kvant mexanikasining asoschilaridan biri edi.

Bosening ilmiy xizmatlarini nishonlash uchun elementar zarrachalarning turlaridan biri bozonlar uning nomi bilan atalgan. Bozonlarga, masalan, fotonlar - elektromagnetizm tashuvchilari va kuchli o'zaro ta'sir ko'rsatadigan va kvarklarning bir-biriga tortilishini aniqlaydigan glyuonlar kiradi. Katta adron kollayderini qidirish uchun yaratilgan mashhur Xiggs bozoni ham elementar zarrachalarning ushbu toifasiga kiradi.

Zarrachaning bozonlarga mansubligi uning spini - elementar zarrachalarning ichki burchak momenti bilan belgilanadi (ba'zida spin tushunchasi zarrachaning o'z o'qi atrofida aylanishi deb ta'riflanadi, lekin bunday tasvir vaziyatni haddan tashqari soddalashtiradi). Bozonning spini har doim butun son bo'ladi - ya'ni u butun son sifatida ifodalanadi. Elementar zarrachalarning yana bir xilma-xilligi - fermionlar yarim butun spinga ega.

Fermionlar (chapda) kvant darajalarining energiyalariga qarab joylashadilar, bozonlar (o'ngda) esa eng past energiya darajasida to'planishi mumkin. PersT byulletenining 23-sonining rasmi, 2003 yil

Bozonlar va fermionlar bir-biridan nafaqat spinning qiymati bilan farqlanadi - bu zarralar bir qator fundamental xususiyatlariga ko'ra bir-biriga o'xshamaydi. Xususan, bozonlar ikki elementar zarrachaning bir kvant holatida boʻlishi mumkin emasligini koʻrsatadigan Pauli prinsipi yoki taqiq deb ataladigan qoidaga boʻysunmasligi mumkin. Kvant holatlari bir-biridan energiya jihatidan farq qiladi va past haroratlarda fermionlar (ular Pauli istisnosiga qat'iy bo'ysunadi) navbat bilan ketma-ket holatlarni to'ldiradi. Eng past energiyaga ega bo'lgan holatlar (zarralar uchun "eng zo'riqishsiz") birinchi navbatda, eng yuqori energiyaga ega bo'lgan holatlar esa oxirgi hisoblanadi. Eng aniqki, fermionlarning kvant holatlariga ko'ra bir qatorga joylashishi, tizimning xatti-harakati harorat o'zgarishi bilan niqoblanmagan past haroratlarda seziladi.

Past haroratlarda bozonlar boshqacha yo'l tutishadi - ular Pauli istisnosi bilan cheklanmagan va shuning uchun iloji bo'lsa, eng qulay joylarni egallashga moyildirlar. kvant darajalari eng kam energiya bilan. Natijada, bozonlar sovib ketganda, quyidagilar sodir bo'ladi: ular juda sekin harakatlana boshlaydilar - soniyasiga bir necha millimetr tezlikda, bir-birlarini juda yaqindan "bosadilar", bir xil kvant holatiga "sakrab o'tadilar" va oxir-oqibat muvofiqlashtirilgan tarzda harakat qila boshlaydi - bitta ulkan kvant zarrasi o'zini tutishi kabi.

Gap yaqin haroratlarda bozonlar bilan sodir bo'lishi kerak bo'lgan bunday transformatsiya haqida mutlaq nol, Shatyendranath Bose 1920-yillarning boshida Albert Eynshteynga yozgan. Bose o'z hisob-kitoblarini jurnalga yubormoqchi edi Zeitschrift mo'ynali jismoniy, lekin Eynshteyn hindistonlik hamkasbining g‘oyalaridan shunchalik ilhomlanganki, u o‘z maqolasini darhol ingliz tilidan nemis tiliga tarjima qilib, tahririyatga yuborgan. Umumiy va maxsus nisbiylik nazariyalarining yaratuvchisi Bosening mulohazalari (hindlar faqat fotonlarni hisobga olgan, Eynshteyn esa massali zarralar haqidagi Bose nazariyasini to'ldirdi) va o'z xulosalarini yana ikkita maqolada taqdim etdi, ular ham nashr etilgan. Zeitschrift mo'ynali jismoniy.

Amaliyot

Shunday qilib, BBE nazariyasi, umuman olganda, 20-asrning birinchi uchdan birida ishlab chiqilgan, ammo olimlar bu holatda materiyani faqat 70 yildan keyin olishga muvaffaq bo'lishdi. Kechikishning sababi oddiy - bozonlar o'zini yagona kvant tizimi sifatida ishlay boshlashi uchun ularni mutlaq noldan (minus 273,15 daraja Selsiy) bir necha milliondan bir darajaga farq qiladigan haroratgacha sovutish kerak. Uzoq vaqt davomida fiziklar bunday past haroratlarga erisha olmadilar. Ikkinchi qiyinchilik shundaki, ko'plab moddalar mutlaq nolga yaqinlashganda, suyuqlik kabi harakat qila boshlaydi va BECni olish uchun ular "gaz" bo'lib qolishi kerak ("gaz" so'zi tirnoq ichida, chunki ultra past haroratlarda. moddaning zarralari harakatchanligini yo'qotadi - gazning asosiy belgilaridan biri).

1990-yillarning o'rtalarida ishqoriy metallar natriy va rubidiy sovutilganda o'zlarining "to'g'ri" xususiyatlarini saqlab qolishlari ko'rsatildi, ya'ni ular nazariy jihatdan BEC holatiga o'tishlari mumkin (rubidiy-87 izotopi va yagona natriy-23 izotopi). butun atom spinlariga ega va ular kompozit bozonlar deb ataladi). Rubidiy atomlarining haroratini zarur bo'lgan ultra past haroratlarga tushirish uchun tadqiqotchilar Erik A. Kornel va Karl Viman JILA - AQSh Milliy standartlar va texnologiyalar instituti (NIST) va Kolorado universitetining qo'shma instituti. Boulder - bug'lanishli sovutish bilan birga lazerli sovutish ishlatiladi.

Lazerlar yordamida atomlar quyidagicha sovutiladi: atom o'ziga qarab harakatlanayotgan fotonlarni o'zlashtiradi va keyin nurlanish chiqaradi. Bunday holda, atomning asta-sekin sekinlashishi sodir bo'ladi va atomlar agregatining harorati mos ravishda pasayadi. Biroq, BEC holatiga o'tish mumkin bo'lgan haroratga erishish uchun faqat lazerli sovutish etarli emas. Agar siz aralashmadan eng tez atomlarni olib tashlasangiz, darajaning qo'shimcha fraktsiyalarini "olib tashlashingiz" mumkin (stolda qolgan bir piyola choy xuddi shu printsip bo'yicha sovutiladi).

Kvant-to'lqin dualizmi printsipiga ko'ra, mikrodunyo ob'ektlari ham zarrachalar, ham to'lqinlar kabi harakat qilishlari mumkin. Moddaning BEC holatiga o'tishi uchun uning atomlari bir-biriga to'lqin uzunligi bilan solishtiradigan masofaga yaqinlashishi kerak. Keyin to'lqinlar o'zaro ta'sir qila boshlaydi va alohida zarralarning xatti-harakatlari muvofiqlashtiriladi.

1995 yilda JILA olimlari 2 mingga yaqin rubidiy-87 atomini 20 nanokelvin (bir nanokelvin 1x10 -9 kelvin) haroratgacha sovutishga muvaffaq bo'lishdi va natijada ular KBE holatiga o'tishdi. Kondensat eksperimental kamerada maxsus konstruktsiyali magnit tuzoq yordamida saqlangan. Kornel va Viman guruhi o'z natijalarini e'lon qilganidan to'rt oy o'tgach, natriy atomlariga asoslangan BECni olishga muvaffaq bo'lgan Massachusets Texnologiya Instituti (MIT) fizikasi Volfgang Ketterlening maqolasi paydo bo'ldi. Ketterl atomlarni magnit tuzoqda ushlab turishning biroz boshqacha printsipidan foydalangan va u JILAdagi hamkasblariga qaraganda ko'proq atomlarni "materiyaning beshinchi holatiga" o'tkazishga muvaffaq bo'lgan. 2001 yilda uchala olim ham fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

1995 yildan beri ko'plab fiziklar guruhlari BEKni olish va o'rganish bilan shug'ullanadilar, ular unda paydo bo'ladigan burmalarni, kondensatlar orasidagi to'lqinlarning aralashuvini va boshqa ko'p narsalarni o'rgandilar. 2009 yilda olimlar birinchi marta kaltsiy atomlarining bunday holatida - bu element uchun paydo bo'ladigan to'lqin naqshlari gidroksidi metallarga qaraganda sezilarli darajada aniqroqdir. 2003 yilda Ketterle guruhi BEC dan lazerning analogini yaratishga va hatto fermionlardan BEC ni olishga muvaffaq bo'ldi. Nihoyat, 2010 yilda bu birinchi marta bo'ldi - uzoq vaqt davomida ko'plab fiziklar bu mutlaqo mumkin emasligiga amin edilar.

Xususan, mutaxassislar yorug‘lik kvantlarini tajriba kamerasi devorlariga singdirib, eksperimentchilardan “qochib ketishi”ga ishonishgan. BECni olish va o'rganish uchun etarli fotonlarni ushlash, sovutish va ushlab turish uchun Bonn universiteti olimlari ikkita kavisli oynadan foydalanganlar, ularning orasidagi masofa taxminan 1,5 mikrometrni tashkil etdi - bu kvant holatidagi fotonlarning to'lqin uzunligi bilan solishtirish mumkin. minimal energiya.

Fotonlarni lazer bilan sovutish usuli qo'llanilmaydi - ular bir-biri bilan juda zaif o'zaro ta'sir qiladi, shuning uchun tadqiqotchilar ularni yorug'lik kvantlarini yutadigan va chiqaradigan maxsus bo'yoq bilan sovutdilar. Fotonlar uning molekulalari bilan to'qnashdi va asta-sekin ularning harorati bo'yoq haroratiga mos keldi. Atomlardan farqli o'laroq, fotonga asoslangan BEClarni olish uchun ularni nol kelvingacha sovutish kerak emas - o'tish xona haroratida allaqachon sodir bo'ladi. Tadqiqotchilarning o‘zlari lazer yordamida fotonlarni tirqishga “po‘kalashdi”. BEC holatiga o'tish fotonlar soni 60 000 ga yaqinlashganda sodir bo'ldi.

O'quvchilar nima uchun olimlar bu tushunarsiz KBE bilan bezovtalanishayotganiga hayron bo'lishlari mumkin. Ya'ni, fiziklarning kvant mexanikasi qonunlarining namoyon bo'lishini "his qilish" va to'g'ridan-to'g'ri ko'rishga bo'lgan sof fundamental qiziqishlari tushunarli, ammo "beshinchi holat" ning foydali amaliy qo'llanilishi bormi? Boshqa jismoniy kashfiyotlar misolida bo'lgani kabi, bunday savol erta - radioaktiv parchalanish yoki elektronlarning xususiyatlarini o'rgangan olimlar, ularning ishlarining oqibatlari qanchalik keng miqyosda bo'lishini taxmin qilishlari dargumon.

Birinchidan, ertami-kechmi, muhandislar o'rganilayotgan ob'ektlar to'g'ridan-to'g'ri ishlatiladigan va fiziklar ushbu ob'ektlarning xususiyatlarini tasvirlashdan oldin ixtiro qilinishi mumkin bo'lmagan yangi qurilmalarni o'ylab topishadi. Ikkinchidan, yangi hodisalarni o'rganish odamlarning fizika haqidagi tasavvurlarini kengaytiradi va kelajakda yangi qurilmalar va texnologiyalarning asosini tashkil etadigan, ilgari noma'lum bo'lgan boshqa hodisalarni kashf qilish va tushuntirish imkonini beradi va hokazo.

Ustida bu daqiqa BECning eng aniq amaliy qo'llanilishidan biri uning asosida o'ta aniq detektorlarni, masalan, magnit yoki tortishish maydonlarining detektorlarini yaratish hisoblanadi. Batafsilroq bashorat qilish mumkin, chunki BECning xususiyatlari qo'shimcha o'rganiladi, bu juda tez harakat qiladi.