Il condensato di Einstein Bose in parole semplici. Bose - Il condensato di Einstein è stato ottenuto per la prima volta sulla ISS. Come ottenere il condensato di Bose - Einstein

Giovedì 24 novembre, in una delle riviste scientifiche più prestigiose - Natura- c'era un articolo di scienziati che per la prima volta sono riusciti a ottenere un condensato di Bose-Einstein basato sui fotoni. Molto probabilmente, la frase precedente non ha detto nulla alla maggior parte dei lettori - e non a caso. Il condensato di Bose-Einstein è una forma di materia molto specifica, ma incredibilmente interessante, che a volte viene chiamata il suo quinto stato, equivalente a solido, liquido, gassoso e plasma. Quando una sostanza è in questo stato, gli effetti quantistici iniziano a manifestarsi a livello macro - infatti, un condensato di Bose-Einstein è una grande (molto grande) particella quantistica.

Teoria

Il condensato di Bose-Einstein a base di fotoni (BEC) è una versione molto "avanzata" del BEC e per molto tempo si è creduto che non potesse essere ottenuto in linea di principio. Ma prima di parlarne, vale la pena spiegare cos'è in generale un condensato di Bose-Einstein. L'India può essere considerata la culla di questo concetto: era lì che la maggior parte del tempo viveva e lavorava una persona che per la prima volta indicava la possibilità dell'esistenza di uno stato della materia precedentemente sconosciuto. Il nome di quest'uomo era Shatyendranath Bose, ed era uno dei padri fondatori meccanica quantistica.

Per celebrare i meriti scientifici di Bose, fu chiamato in suo onore uno dei tipi di particelle elementari, i bosoni. I bosoni includono, ad esempio, fotoni - portatori di elettromagnetismo e gluoni, che trasportano interazioni forti e determinano l'attrazione reciproca dei quark. Appartiene a questa categoria di particelle elementari anche il famoso bosone di Higgs, per la ricerca per la quale è stato creato il Large Hadron Collider.

L'appartenenza di una particella ai bosoni è determinata dal suo spin - il momento angolare proprio delle particelle elementari (a volte il concetto di spin è definito come la rotazione di una particella attorno al proprio asse, ma anche questa rappresentazione semplifica la situazione). Lo spin di un bosone è sempre intero, cioè è espresso come intero. Un altro tipo di particelle elementari, i fermioni, hanno spin semiintero.

I fermioni (a sinistra) si allineano in termini di energie dei livelli quantici, mentre i bosoni (a destra) possono accumularsi al livello con l'energia più bassa. Immagine del numero 23 del PersT Bulletin 2003

Bosoni e fermioni differiscono l'uno dall'altro non solo per il valore dello spin: queste particelle sono dissimili in una serie di proprietà fondamentali. In particolare, i bosoni potrebbero non obbedire al cosiddetto principio, o divieto, di Pauli, il quale postula che due particelle elementari non possano trovarsi nello stesso stato quantistico. Gli stati quantistici differiscono l'uno dall'altro in termini di energie, ea basse temperature i fermioni (che osservano rigorosamente l'esclusione di Pauli) riempiono alternativamente stati successivi. Il primo a trattare gli stati con l'energia più bassa (il più "senza stress" per le particelle) e l'ultimo - con l'energia più alta. Più chiaramente, questa proprietà dei fermioni di allinearsi negli stati quantistici è evidente a basse temperature, quando il comportamento del sistema non è mascherato da fluttuazioni di temperatura.

I bosoni si comportano diversamente alle basse temperature - non sono limitati dal divieto di Pauli e quindi tendono ad occupare i posti più convenienti, cioè i livelli quantici con la più bassa energia, quando possibile. Di conseguenza, quando i bosoni si raffreddano, accade quanto segue: iniziano a muoversi molto lentamente - a velocità dell'ordine di diversi millimetri al secondo, molto strettamente "annidati" l'uno contro l'altro, "saltano" nello stesso stato quantico , e alla fine iniziano a comportarsi in modo coordinato, come si comporterebbe una particella quantistica gigante.

Si trattava di una tale trasformazione che dovrebbe avvenire con i bosoni a temperature prossime allo zero assoluto che Chatiendranath Bose scrisse ad Albert Einstein nei primi anni '20. Bose stava per inviare i suoi calcoli alla rivista Zeitschrift pelliccia Physik, ma Einstein fu così ispirato dalle idee del suo collega indiano che tradusse immediatamente il suo articolo dall'inglese al tedesco e lo inviò all'editore. Il creatore delle teorie della relatività generale e speciale ha sviluppato le considerazioni di Bose (l'indiano considerava solo i fotoni e Einstein ha integrato la teoria di Bose per le particelle con massa) e ha presentato le sue scoperte in altri due articoli, anch'essi pubblicati in Zeitschrift pelliccia Physik.

Pratica

Pertanto, la teoria di KBE è stata, in generale, sviluppata nel primo terzo del XX secolo, ma gli scienziati sono riusciti a ottenere la sostanza in questo stato solo dopo 70 anni. La ragione del ritardo è semplice: affinché i bosoni si comportino come un singolo sistema quantistico, devono essere raffreddati a una temperatura che differisca dallo zero assoluto (meno 273,15 gradi Celsius) di pochi milionesimi di grado. Per molto tempo, i fisici semplicemente non sapevano come raggiungere temperature così basse. La seconda difficoltà è stata che molte sostanze, avvicinandosi allo zero assoluto, iniziano a comportarsi come liquidi, e per ottenere CBE è necessario che rimangano "gas" (la parola "gas" è presa tra virgolette, poiché a temperature bassissime le particelle della sostanza perdono la loro mobilità - uno dei segni fondamentali del gas).

A metà degli anni '90 è stato dimostrato che i metalli alcalini sodio e rubidio, raffreddandosi, mantengono le proprietà "corrette", il che significa che possono teoricamente passare allo stato CBE (sia l'isotopo rubidio-87 che l'unico sodio-23 isotopi hanno interi spin atomici e sono i cosiddetti bosoni compositi). I ricercatori Eric A. Cornell e Carl Wieman di JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti e dell'Università del Colorado a Boulder, hanno utilizzato il raffreddamento laser insieme al raffreddamento evaporativo.

Con l'aiuto dei laser, gli atomi vengono raffreddati in questo modo: un atomo assorbe i fotoni che si spostano verso di esso e quindi emette radiazioni. In questo caso, si verifica una graduale decelerazione dell'atomo e la temperatura dell'insieme di atomi, rispettivamente, diminuisce. Tuttavia, il solo raffreddamento laser non è sufficiente per raggiungere temperature alle quali è possibile una transizione allo stato BEC. Puoi "rimuovere" le frazioni extra di grado rimuovendo gli atomi più veloci dalla miscela (una tazza di tè lasciata sul tavolo viene raffreddata dallo stesso principio).

Secondo il principio del dualismo quantistico-onda, gli oggetti del microcosmo possono comportarsi sia come particelle che come onde. Affinché una sostanza entri nello stato CBE, i suoi atomi devono avvicinarsi l'uno all'altro a una distanza paragonabile alla loro lunghezza d'onda. Quindi le onde iniziano a interagire e il comportamento delle singole particelle diventa coordinato.

Nel 1995, gli scienziati di JILA sono riusciti a raffreddare circa 2 mila atomi di rubidio-87 a una temperatura di 20 nanokelvin (un nanokelvin è 1x10 -9 kelvin) e, di conseguenza, sono entrati nello stato CBE. Nella camera sperimentale, la condensa era trattenuta da una speciale trappola magnetica. Quattro mesi dopo che il gruppo di Cornell e Wieman ha pubblicato i risultati dei loro esperimenti, è apparso un articolo del fisico Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che è stato in grado di ottenere CBE dagli atomi di sodio. Ketterle usò un principio leggermente diverso di confinamento degli atomi in una trappola magnetica, e riuscì a trasferire molti più atomi al "quinto stato della materia" rispetto ai suoi colleghi di JILA. Nel 2001, tutti e tre gli scienziati hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica.

Dal 1995, molti gruppi di fisici sono stati impegnati nell'ottenimento e nello studio del BEC, che hanno studiato i vortici che si formano in esso, l'interferenza delle onde tra i condensati e molto altro. Nel 2009, gli scienziati per la prima volta in questo stato di atomi di calcio - il modello d'onda emergente per questo elemento è notevolmente più chiaro rispetto ai metalli alcalini. Nel 2003, il gruppo di Ketterle è stato in grado di creare un analogo di un laser dal CBE e persino di ottenere il CBE dai fermioni. Infine, nel 2010, è stata la prima volta: per molto tempo molti fisici erano convinti che ciò fosse fondamentalmente impossibile.

In particolare, gli esperti ritenevano che i quanti di luce sarebbero stati assorbiti dalle pareti della camera sperimentale e "scappati" dagli sperimentatori. Per catturare, raffreddare e trattenere abbastanza fotoni per ricevere e studiare l'EBE, gli scienziati dell'Università di Bonn hanno utilizzato due specchi curvi, la cui distanza era di circa 1,5 micrometri - questo è paragonabile alla lunghezza d'onda dei fotoni in uno stato quantico con energia minima...

Il metodo di raffreddamento laser non è applicabile ai fotoni: interagiscono troppo debolmente tra loro, quindi i ricercatori li hanno raffreddati utilizzando un colorante speciale che assorbe ed emette quanti di luce. I fotoni si sono scontrati con le sue molecole e gradualmente la loro temperatura si è equalizzata con la temperatura del colorante. A differenza degli atomi, per ottenere il QBE basato sui fotoni, non è necessario raffreddarli a zero kelvin: la transizione avviene già a temperatura ambiente. Gli stessi ricercatori hanno "pompato" i fotoni nella fessura usando un laser. La transizione allo stato BEC è avvenuta quando il numero di fotoni si è avvicinato a 60 mila.

I lettori potrebbero chiedersi perché gli scienziati si preoccupano di questo incomprensibile CBE. Cioè, l'interesse puramente fondamentale dei fisici a "sentire" e vedere direttamente la manifestazione delle leggi della meccanica quantistica è comprensibile, ma il "quinto stato" ha qualche utile applicazione pratica? Come per altre scoperte fisiche, una domanda del genere è prematura: è improbabile che gli scienziati che hanno studiato le proprietà del decadimento radioattivo o degli elettroni possano prevedere quanto sarebbero su larga scala le conseguenze del loro lavoro.

Innanzitutto, prima o poi, gli ingegneri escogitano nuovi dispositivi in ​​cui gli oggetti studiati vengono utilizzati direttamente e che non avrebbero potuto essere inventati prima che i fisici descrivessero le proprietà di questi oggetti. E in secondo luogo, lo studio di nuovi fenomeni amplia la comprensione della fisica da parte delle persone e consente in futuro di scoprire e spiegare altri fenomeni precedentemente sconosciuti che formeranno la base di nuovi dispositivi e tecnologie, e così via.

Al momento, una delle applicazioni pratiche più ovvie del BEC è considerata la creazione sulla base di rivelatori ultra precisi, ad esempio rivelatori di campi magnetici o gravitazionali. Previsioni più dettagliate possono essere fatte con un ulteriore studio delle proprietà del BEC, che sta progredendo molto, molto rapidamente.

Appena si dice "meccanica quantistica", come immaginiamo particelle elementari, atomi o qualcosa di simile. In effetti, le formule della meccanica quantistica sono abbastanza applicabili ai corpi macroscopici. La cosa principale è che questi corpi non interagiscono con il mondo esterno, quindi sono idealmente isolati da esso.

Non è un caso che di recente gli scienziati si siano particolarmente interessati agli oggetti macroscopici che si comportano secondo le leggi del mondo quantistico. Un esempio di ciò è il condensato di Bose-Einstein, una minuscola nube di molti atomi raffreddata a una temperatura ultrabassa, fino a miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, quando il movimento termico praticamente si congela. Una tale nuvola, essendo in una trappola magnetica, si comporta letteralmente come un enorme "atomo". I singoli atomi che lo componevano perdono la loro libertà; cessano di essere indipendenti l'uno dall'altro. "Gli atomi marciano al passo", come è stato giustamente detto in uno degli articoli dedicati a questo fenomeno. L'oggetto quantistico macroscopico risultante ha un diametro di diversi micrometri; è molte volte più grande di un normale atomo. Ora questo oggetto nel suo insieme reagisce a qualsiasi influenza, sebbene tra i suoi singoli atomi non ci siano quasi forze che li collegano.

Una nuvola di atomi raffreddati a una temperatura incredibile inizia a "fare un passo avanti" - appare un condensato di Bose-Einstein

Il bizzarro mondo degli atomi. A sinistra: atomi di sodio e iodio sulla superficie di un substrato di rame. A destra: "muro" costituito da atomi di ferro su un substrato di rame

“Di solito tutti gli atomi tremolano, si precipitano in ogni direzione, ma se sono molto raffreddati, iniziano improvvisamente a marciare in formazione, come un esercito. La differenza è quasi la stessa tra una lampadina e un laser: per una lampadina, tutte le particelle di luce corrono in direzioni diverse e per un laser marciano. Così siamo riusciti a costruire un laser che non emette luce, ma materia. In realtà è tutto molto semplice, no?" - ha spiegato scherzosamente l'essenza della scoperta del fisico tedesco Wolfgang Ketterle, che in seguito ha ricevuto premio Nobel per lo studio di questo condensato, che rappresentava... un nuovo stato della materia.

Le sostanze intorno a noi sono in forma liquida, solida o gassosa. Tuttavia, la teoria consente altri stati di aggregazione. Ad esempio, tutti gli atomi di una sostanza potrebbero condensare al livello energetico più basso. Un tale oggetto doveva reagire a qualsiasi impatto nel suo insieme, sebbene nulla leghi le sue particelle. Il suo comportamento potrebbe essere descritto da una singola funzione d'onda. Questo strano fenomeno fu previsto a metà degli anni '20 da Albert Einstein, analizzando i calcoli eseguiti dal fisico indiano Shatyendranath Bose. Questa metamorfosi dovrebbe avvenire nelle immediate vicinanze dello zero assoluto della scala Kelvin.

Si sta preparando un esperimento per raffreddare la materia fino quasi allo zero assoluto e ottenere un condensato di Bose - Einstein

Infatti, uno stato simile è stato successivamente osservato, ma non è stato possibile ottenerlo in alcun modo nella sua forma pura. Quindi, nei superconduttori, alcuni degli elettroni sono sotto forma di condensato di Bose-Einstein. Nell'elio superfluido, anche alcuni atomi si comportano come un unico insieme.

All'inizio degli anni novanta, diversi laboratori scientifici hanno "cacciato" contemporaneamente il condensato di Bose - Einstein. Il percorso per raggiungerlo attraversava il campo dei materiali superconduttori. Il prossimo segno sulla strada degli scienziati: 4,2 kelvin (circa - 269 ° С). A questa temperatura, l'elio diventa un liquido. Alla temperatura di 2 Kelvin, diventa superfluido, cioè senza subire attrito, penetra nei capillari più sottili.

Il campo della fisica delle temperature ultrabasse inizia a temperature inferiori a 2 Kelvin. A metà degli anni '90, i fisici erano riusciti a migliorare così tanto la tecnologia di raffreddamento che la scoperta di un nuovo stato della materia sembrava inevitabile.

Ecco uno dei metodi: il cosiddetto raffreddamento laser. Il gas è trattenuto in una trappola magnetica e un raggio laser è diretto su di esso. Assorbe parte dell'energia cinetica degli atomi e questo abbassa la temperatura del gas. In un flusso di quanti di luce, gli atomi di gas vengono decelerati come in uno "sciroppo ottico". In modo simile, all'inizio del 1995, è stato possibile raffreddare il gas dagli atomi di cesio ad una temperatura pari a 700 nanokelvin, cioè 0,0000007 kelvin.

Tutto è pronto per ottenere un condensato Bose - Einstein

Ma il record non durò a lungo. Nello stesso anno, i fisici americani Eric Cornell e Carl Wyman del National Institute of Standards and Technology (Colorado) raffreddarono per la prima volta il gas formato dagli atomi di rubidio a 200 nanokelvin, e in seguito batterono questo record di temperatura. La scelta del gas ha giocato un ruolo importante. Gli atomi di rubidio, a causa delle loro dimensioni, sono più facili da raffreddare rispetto, ad esempio, all'idrogeno. Inoltre, la condensa è più facile da rilevare quando si lavora con loro. Nel caso dell'idrogeno, il gas può condensare senza che nessuno se ne accorga.

Il gas rubidio è stato pre-raffreddato da laser e quindi gli atomi più caldi sono stati rimossi dalla trappola magnetica utilizzando onde radio dirette. "Era più o meno come con una tazza di caffè, che viene raffreddata, permettendo alle particelle più calde della bevanda di evaporare", spiega Eric Cornell.

Alla fine, a una temperatura di 170 nanokelvin, arrivò il momento tanto atteso: il gas rubidio iniziò a condensarsi, la sua densità aumentò bruscamente. Sempre più atomi occupavano le posizioni energetiche più favorevoli invece di essere distribuiti su diversi livelli, come è tipico del gas ordinario. Duemila atomi si sono accumulati al centro della trappola. La loro velocità e direzione di movimento erano le stesse. Questo stato durò per circa quindici secondi.

“Quando i ricercatori hanno capito che tipo di preda stavano catturando, tutti sono stati sopraffatti dall'eccitazione. Dopotutto, questo mucchio di atomi non era affatto un gas normale! Si trattava di una nuova forma di sostanza, a cui vengono attribuite proprietà stravaganti". Nell'estate del 1995, le pagine di molti giornali erano piene di messaggi simili.

Nei primi commenti a questo esperimento, si diceva che il condensato di Bose-Einstein potrebbe stabilire un nuovo standard per la misurazione del tempo. Che potrebbe condurre il calore meglio del metallo. Che se lo metti a fuoco, ottieni un raggio che assomiglia a un laser. Tale raggio potrebbe diventare un potente strumento per i nanotecnologi. Usandolo, sarebbe possibile realizzare microcircuiti molto più piccoli di adesso.

"Siamo entrati in un'area di ricerca completamente nuova", ha ammesso il futuro premio Nobel Eric Cornell in una delle prime interviste. - Fenomeni molto interessanti si stanno aprendo davanti a noi. Penso che nei prossimi anni la fisica delle temperature ultrabasse conoscerà il suo rinascimento".

Dal 1995, i fisici sono stati in grado di ottenere un condensato di Einstein-Bose da atomi di rubidio, sodio, idrogeno ed elio. In tutti i casi, consisteva in bosoni - quasiparticelle con spin intero (momento angolare proprio), cercando di essere il più vicino possibile l'uno all'altro.

Nel 1999 è stato anche ottenuto per la prima volta un condensato di fermioni: particelle con spin semiintero, che cercano di stare lontane l'una dall'altra. In questo caso, il condensato conteneva atomi di potassio. Si combinarono a coppie, formando una specie di molecole biatomiche con spin intero.

Ciò ricordava l'apparizione delle cosiddette coppie di Cooper nei superconduttori, cioè coppie di elettroni in grado di superare la repulsione reciproca. Nei commenti degli specialisti è stato sottolineato: "Se fosse possibile trasferire il condensato fermionico in uno stato solido, allora la sostanza risultante potrebbe avere le proprietà di un superconduttore ad alta temperatura".

"Lo studio dei condensati fermionici può far avanzare significativamente la ricerca nel campo della superconduttività ad alta temperatura, poiché il meccanismo di formazione delle coppie di atomi ha lo stesso carattere della formazione delle coppie di Cooper, ma allo stesso tempo gli atomi sono molto più resistenti a l'influenza delle alte temperature", ha scritto il giornalista di Izvestia Peter Obraztsov ...

Bose - Esperimento in corso sul condensato di Einstein

Infine, nell'aprile 2001, è stato riferito che i dipendenti della Rice University (Houston, Texas) hanno ricevuto uno stato speciale della materia: conteneva contemporaneamente condensati bosonici e fermionici.

Un gruppo di scienziati - guidati da Randall Halet - ha condotto esperimenti con una miscela contenente gli isotopi di litio-6 e litio-7. Gli atomi di quest'ultimo si comportano come bosoni, poiché sono composti da un numero pari di elementi: quattro neutroni, tre protoni e tre elettroni. Gli atomi di litio-6 appartengono ai fermioni. Sono costituiti da un numero dispari di particelle: tre neutroni, tre protoni e tre elettroni. Due fermioni identici non possono trovarsi nello stesso posto, muoversi con la stessa velocità, nella stessa direzione.

Montagne fatte di atomi sono visibili sul monitor di un microscopio a scansione a effetto tunnel

Quando la nube atomica fu raffreddata a un milionesimo di Kelvin, gli atomi di litio-7 si trovavano proprio al centro della trappola magnetica; formavano una nuvola compatta di circa mezzo millimetro di diametro. Con un ulteriore raffreddamento, è rapidamente diminuito. La nube di fermioni era diffusa e le sue dimensioni cambiavano poco. In esso agiva la cosiddetta pressione di Fermi, che impediva agli atomi di accumularsi nel mezzo della trappola anche a una temperatura così bassa. Gli scienziati americani suggeriscono che a temperature più basse le nubi fermioniche e bosoniche si evitano e tendono ad allontanarsi. Un fenomeno simile è stato osservato anche in una miscela di elio-3 liquido ed elio-4.

Interessanti anche altri studi sul condensato di Bose - Einstein.

Così, Eric Cornell e Karl Wyman, in un esperimento con un condensato di atomi dell'isotopo del rubidio, ottennero una rapida alternanza delle forze di attrazione e repulsione degli atomi. Ciò ha portato a un'espansione quasi esplosiva del condensato, che ricorda l'esplosione di una supernova. Gli scienziati hanno battezzato questo processo: Bose-Nova.

I fisici tedeschi Joseph Fortag e Theodor Hensch, che hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2005, hanno prodotto indipendentemente un microcircuito che può essere controllato utilizzando una goccia di condensato di Bose-Einstein. Usandolo, puoi accumulare e trasmettere informazioni.

Wolfgang Ketterle ha mostrato che è possibile "pizzicare" pezzi dal condensato di Bose-Einstein. Ciò consentirà di costruire un laser atomico che genererà radiazioni dalla materia, non dalla luce. La condensa è un'onda materiale ideale, proprio come la luce laser è un ideale Onda elettromagnetica... I suoi singoli atomi possono essere descritti da una funzione d'onda, come la luce coerente. Tuttavia, la lunghezza d'onda degli atomi è molto più corta della lunghezza d'onda della luce. Con un laser atomico, puoi creare le strutture più piccole spostando gli atomi con precisione nanometrica. Questa scoperta porterà progressi tangibili nella nanotecnologia. Il vantaggio dei laser atomici rispetto all'ottica della luce tradizionale risiede nella loro precisione estremamente elevata. "L'uso di un laser atomico", afferma Theodor Hensch, "è, per quanto ne so, il metodo più accurato con cui è possibile manipolare gli atomi spostandoli intenzionalmente".

"L'uso di un laser atomico", afferma Theodor Hensch, "è... il metodo più accurato con cui è possibile manipolare gli atomi spostandoli intenzionalmente".

"Il condensato di Bose-Einstein", osserva Ketterle, "apre la strada alla creazione e alla ricerca di materiali completamente nuovi". Pertanto, strisce piatte o strisce di condensa “hanno proprietà assolutamente diverse rispetto agli oggetti tridimensionali. Questa è una fisica completamente diversa".

Il condensato è ideale per lo studio sperimentale delle proprietà dei sistemi quantistici. Inoltre, può essere visto come un modello di sistemi macroscopici in cui molte particelle sono costrette ad interagire tra loro. Quindi, puoi creare un "reticolo ottico" di onde luminose e posizionare un condensato di Bose-Einstein al suo interno. Otterrai una sorta di oggetto in cui gli atomi di gas raffreddati saranno posizionati rigorosamente in determinati punti dello spazio, quasi come gli atomi in un reticolo cristallino. Questo gas estremamente raffreddato può essere utilizzato in esperimenti di laboratorio come modello semplificato di un solido. Forse gli esperimenti con il condensato di Bose-Einstein aiuteranno, infine, a descrivere accuratamente il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura.

Resta da aggiungere che, secondo il quotidiano Izvestia, “i maggiori specialisti russi sui condensati di Bose-Einstein lavorano all'estero: l'accademico Vladimir Zakharov - negli USA, l'accademico Lev Pitaevsky - in Italia. Non ci sono esperimenti in questo settore in Russia”.

In generale, le particelle possono essere suddivise in fermioni e bosoni (con valori di spin semiinteri e interi). Quando raffreddi i bosoni a temperature prossime allo zero assoluto, possono condensarsi in uno stato collettivo di materia noto come condensato di Bose-Einstein, in cui un numero abbastanza elevato di atomi si trova in uno stato quantico identico, consentendo di osservare vari fenomeni insoliti , come la superconduttività.

Il primo esperimento sull'ottenimento della condensa riguardava atomi di rubidio raffreddati quasi allo zero assoluto. A sinistra - dati sulla distribuzione della velocità degli atomi prima della comparsa del condensato, al centro - subito dopo, a destra - dopo un po'. (Ill. R. Zhang.)

Sono passati 60 anni dal postulato teorico del condensato nel 1925 alla sua prima rilevazione in laboratorio, ma è ancora molto lontano dalla conquista di tutti i picchi associati a questo fenomeno. In particolare, il condensato è stato ottenuto da atomi di rubidio allo stato gassoso, anche se sarebbe molto meglio trattare con i fotoni. Oltre a un valore puramente teorico, un tale risultato potrebbe anche trovare applicazione - in laser con proprietà insolite o persino in nuovi tipi di celle solari.

Ma i fotoni possono "condensarsi"? Le particelle di luce non hanno massa, ma la sua presenza sembra essere un requisito fondamentale per ottenere un condensato di Bose-Einstein. Per superare questa difficoltà, i fisici hanno cercato di intrappolare la luce in una cavità ottica, tra due lastre riflettenti parallele, che farebbero comportare i fotoni come se avessero massa. Per evitare che la luce "fugga" da una tale trappola, le sue pareti dovrebbero essere leggermente curve.

Nel 2010, è stato dimostrato sperimentalmente che la creazione di una tale trappola è abbastanza realistica, ma sono rimasti seri problemi con l'interpretazione dei risultati di tali esperimenti. Per esserne sicuri, era necessario soddisfare diversi requisiti specifici. Primo, l'intero sistema deve essere bidimensionale, assolutamente piatto, cosa molto difficile da implementare in un mondo tridimensionale. In secondo luogo, devi essere sicuro che il mezzo tra i fotoni (e questa non è l'aria) non influenzi la loro "condensazione" durante il raffreddamento.

Condensazione di Bose-Einstein

Indubbiamente, uno dei risultati più impressionanti della fisica moderna è stata la prova sperimentale del 1995 della condensazione di Bose-Einstein. Nel 1924, Einstein predisse l'esistenza di uno stato speciale della materia, in cui tutti gli atomi con determinate proprietà, i cosiddetti. i bosoni (con spin multipli di h) possono rimanere esattamente con le stesse proprietà quantistiche. Nel 1995 Nel 1995, Eric Cornell (nato nel 1962) del National Institute of Standards and Technology e Carl Wieman (nato nel 1951) dell'Università del Colorado sono riusciti a raffreddare gli atomi di rubidio usando un raggio laser e catturarli in una trappola magnetica. ... Un ulteriore raffreddamento è stato quindi eseguito utilizzando un metodo chiamato raffreddamento evaporativo, che agisce nello stesso modo in cui viene raffreddata una tazza di tè, ad es. permettendo agli atomi più caldi di fuggire.

Quando viene raggiunta una temperatura molto bassa, gli atomi in un nuovo stato iniziano a muoversi insieme alla stessa velocità e nella stessa direzione, invece di muoversi arbitrariamente, come nel caso del gas ordinario. Gli atomi perdono la loro individualità e diventano ora una singola unità collettiva. La loro configurazione organizzata porta a proprietà insolite. La condensazione di Bose-Einstein è stata ottenuta in una nuvola di atomi di rubidio-87, che sono stati raffreddati a ~ 170 nK. Il campione più completo conteneva circa 2000 atomi, che erano in un singolo stato quantico per più di 15 secondi. Wolfgang Ketterl (nato nel 1957) e il suo gruppo del MIT (USA) sono riusciti a ottenere un condensato di sodio-23 contenente cento volte più atomi. Cornell, Ketterl e Wiemann hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2001 "per aver ottenuto la condensazione di Bose-Einstein in gas rarefatti e per studi pionieristici e fondamentali sulle proprietà di questo condensato". Con l'aiuto del condensato di Bose-Einstein è possibile studiare alcuni aspetti della meccanica quantistica e, forse, comprendere meglio il fenomeno della superconduttività (la proprietà di alcuni materiali di perdere completamente la resistenza elettrica). L'origine dell'universo è anche associata in alcune teorie alla condensazione di Bose-Einstein.

Il comportamento di tali atomi condensati, rispetto agli atomi ordinari, assomiglia alla differenza tra la luce laser e la luce di una normale lampada. Nella luce laser, tutti i fotoni sono in fase, una proprietà che rende i raggi laser potenti e capaci di essere focalizzati in un punto molto piccolo. Allo stesso modo, gli atomi nel condensato di Bose-Einstein sono tutti in fase e i fisici stanno lavorando per farli comportare come un "laser atomico". Un tale fascio di atomi può essere manipolato e misurato su scale sorprendentemente piccole. In un laser atomico, tutti gli atomi possono muoversi come uno. Tali laser atomici potrebbero essere utilizzati per posizionare atomi su un substrato con straordinaria precisione, sostituendo la fotolitografia convenzionale. Sarebbe anche possibile costruire un interferometro atomico, che, poiché le lunghezze d'onda degli atomi (onde di de Broglie) sono molto inferiori a quelle leggere, potrebbe effettuare misurazioni con maggiore precisione di un interferometro laser. Ciò consentirebbe di creare orologi atomici più accurati, di ottenere e studiare interazioni non lineari simili a quelle ottiche, ecc.

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4. Soluzione delle equazioni di Einstein Ma se ci sono equazioni, allora devono essere risolte. Cioè, sotto i vincoli e le condizioni di ogni problema o modello specifico, è necessario trovare i coefficienti metrici in ogni punto dello spazio-tempo e quindi determinarne la geometria

Quindi, CBE, come qualsiasi altra sostanza, consiste di singoli atomi, ma, a differenza della materia ordinaria, gli atomi perdono la loro individualità in essa. Diventa impossibile distinguere la parte dal tutto, e infatti si ottiene un conglomerato di atomi, che possiede le proprietà quantistiche di un singolo atomo. Questo gigantesco quasi-atomo è 100mila volte più grande del solito e persino più grande di una cellula umana. Grazie alle sue dimensioni, KBE offre agli sperimentatori un'opportunità unica di testare direttamente nella pratica le posizioni teoriche della meccanica quantistica: nella scienza moderna, svolge lo stesso ruolo delle mele ai tempi di Newton.

Per la prima volta nel 1938 fu ottenuta una sostanza con proprietà CBE. fisico sovietico Peter Kapitsa e canadese Giovanni Allen elio-4 raffreddato a una temperatura inferiore a 2,2 kelvin, a seguito della quale questo gas ha acquisito le proprietà di un liquido superfluido senza assolutamente viscosità. Elio superfluido mostra proprietà insolite: può fuoriuscire da un contenitore aperto (vedi foto sotto) o diffondersi lungo le pareti verticali. La superfluidità nell'elio si verifica a causa del fatto che alcuni degli atomi di elio, fino al 10%, vengono convertiti in CBE.
Nella tecnologia laser sfrutta anche le proprietà del BEC sincronizzando le onde dei fotoni, che per definizione sono bosoni. Nel processo di ottenimento di un raggio laser, viene utilizzata la propensione dei bosoni a concentrarsi in un singolo stato quantistico.

Un'altra area di applicazione di KBE - superconduttori... La superconduttività si ottiene condensando a bassa temperatura gli elettroni in vapori. I legami elettronici accoppiati si formano solo in determinate sostanze in determinate condizioni, ad esempio nell'alluminio raffreddato a 1,2 kelvin. I singoli elettroni non possono essere utilizzati per generare BEC perché sono fermioni incompatibili nelle funzioni d'onda, ma quando si accoppiano, il risultato sono bosoni che si condensano immediatamente in BEC. (Un processo simile di accoppiamento e condensazione si verifica nell'elio-3 superfluido, i cui atomi sono fermioni.)

Infine, le proprietà di KBE si osservano in eccitazione(dal lat. eccito - mi emoziono). Questa è una quasiparticella, che è uno stato legato di un elettrone e un cosiddetto "buco" - un elettrone assente in un sito reticolo cristallino semiconduttore. Un elettrone e una lacuna generati da un impulso laser, che si comporta come una particella carica positivamente, possono unirsi in una tale coppia per un breve periodo. Nel 1993, i fisici hanno osservato la formazione di un condensato gassoso a breve termine dagli eccitoni in un semiconduttore a base di ossido di rame.

Tuttavia, il fenomeno CBE nella sua forma pura è stato dimostrato sperimentalmente in tempi relativamente recenti. Nel 1995, un gruppo di fisici - attuali premi Nobel - ha prodotto questo condensato usando trappole atomiche usando raggi laser e campi magnetici in cui gli atomi di rubidio sono stati raffreddati a una temperatura bassissima di diverse centinaia di nanokelvin. In seguito a ciò, team di scienziati di tutto il mondo hanno eseguito molti esperimenti con EBE, in cui è stato esposto a raggi laser, onde sonore, campi magnetici, ecc. In particolare, quando un raggio laser passa attraverso un condensato di gas, rallentando la velocità della luce fino alla velocità di un pedone (metri al secondo). I risultati ottenuti sono stati per lo più in linea con quelli attesi secondo i postulati della meccanica quantistica. Così, l'inizio della transizione da teoria dei quanti alla pratica quantistica.

Nel prossimo futuro, possiamo aspettarci un'introduzione diffusa di KBE nella tecnologia delle misurazioni accurate, che consentirà di creare dispositivi di guida e orientamento ultra precisi, gravitometri, sistemi per determinare la posizione di aeromobili e veicoli spaziali con una precisione di diversi centimetri. Un'altra area promettente per l'implementazione del CBE è la nanotecnologia, che promette l'emergere di nano-robot in grado di raccogliere molecole di qualsiasi sostanza da singoli atomi e computer quantistici ultra potenti.

Lo strumento principale per introdurre il fenomeno KBE nel progresso tecnico diventerà molto probabilmente LASER ATOMICO... Questo dispositivo è un analogo materiale di un laser ottico. Cioè, invece di un raggio di luce, viene generato un "raggio" diretto di sostanza materiale. Tale raggio è un flusso coerente e liberamente mobile di concentrato di gas. Il termine "coerente" in questo caso significa che tutti gli atomi nel raggio si muovono in modo quantistico, cioè le loro funzioni d'onda sono ordinate reciprocamente.

Primo laser atomicoè stato creato nel 1997 dal gruppo di Wolfgang Ketterl ed è stato alimentato dalla gravità. Il concentrato di soda è stato irradiato con impulsi radio, sotto l'influenza dei quali alcuni atomi hanno cambiato il loro spin. Gli atomi con spin alterato non sono stati colpiti dalla trappola e ne sono letteralmente caduti fuori. In effetti, un tale laser atomico non era più simile a un raggio di luce, ma a un flusso d'acqua che sgorgava da un rubinetto.

Nel 1998, Theodor Hensch dell'Università di Monaco ha dimostrato un sistema simile, che prevedeva un flusso continuo di atomi di rubidio. Il raggio atomico di rubidio era un milione di volte più luminoso di qualsiasi altro del suo genere. Nello stesso periodo, William Phillips e Stephen Rolston del National Institute of Standards and Technology hanno finalmente creato un laser atomico che potrebbe essere inviato in qualsiasi direzione, non solo verso il basso. Nella loro progettazione, hanno utilizzato laser ottici, facendo uscire gli atomi dalla condensa attraverso un foro rotante sul bordo della trappola, il cosiddetto "cerchio della morte". Utilizzando una sequenza specifica di impulsi laser, accuratamente sincronizzati con il cerchio della morte, gli scienziati hanno ottenuto un flusso di atomi coerente, intenso e continuo, un analogo del raggio luminoso di un laser ottico.

Attualmente, i raggi atomici sono già utilizzati in numerosi dispositivi scientifici e industriali, in particolare negli orologi atomici, negli strumenti di misura ad alta precisione per la determinazione delle costanti fondamentali e nella produzione di chip per computer. Tuttavia, si può presumere che l'introduzione diffusa dei laser atomici richiederà molto tempo, a giudicare dal fatto che sono trascorsi 30 anni tra l'invenzione del laser ottico e il suo uso diffuso negli elettrodomestici. Il problema principale con l'utilizzo di un laser atomico finora è che il suo raggio si propaga solo nel vuoto.

Tra le aree di applicazione scientificamente previste del laser atomico sull'orlo della fantasia - olografia atomica... È teoricamente possibile creare in futuro stampanti e fax a laser atomico, che consentiranno di stampare e trasmettere su lunghe distanze non immagini piatte di oggetti, ma i loro modelli tridimensionali materiali.