Kondensat Bosego-Einsteina

Dane dotyczące rozkładu prędkości potwierdzające odkrycie nowego stanu skupienia materii, kondensatu Bosego-Einsteina powstałego z gazu składającego się z atomów rubidu. Kolory odpowiadają liczbom atomów w danym zakresie prędkości – czerwony oznacza mniejszą liczbę, biały większą. Lewy: tuż przed pojawieniem się kondensatu Bosego-Einsteina. Środkowy: zaraz po otrzymaniu kondensatu. Prawy: Po dalszym parowaniu pozostała próbka prawie czystego kondensatu. Nachylenie zbocza szczytu musi być łagodne, bo inaczej złamana zostałaby zasada nieoznaczoności: Błąd określenia pozycji atomów jest niewielki i dlatego błąd pomiaru pędu (prędkości) musi być odpowiednio większy, aby ich iloczyn był większy niż stała Plancka

Kondensacja Bosego-Einsteinaefekt kwantowy zachodzący w układach podległych rozkładowi Bosego-Einsteina. W temperaturach niższych od temperatury krytycznej część cząstek (bozonów) przechodzi w zerowy stan pędowy – cząstki te mają identyczny pęd. Oznacza to, że w zerowej objętości przestrzeni pędów może znajdować się niezerowa liczba cząstek. Mówi się wtedy o makroskopowym obsadzeniu stanu podstawowego.

Efektem kondensacji jest kolektywne zachowanie wszystkich cząstek biorących w niej udział (w przybliżeniu wszystkie zachowują się jak jedna cząstka). Nie chodzi tu o kondensację w zwykłym sensie w przestrzeni położeń – cząstki nie znajdują się w jednym miejscu, lecz o "kondensację" cząstek w przestrzeni pędów – znaczna liczba cząstek ma taki sam pęd. Rozkład przestrzenny cząstek "skondensowanych" pozostaje równomierny (jeśli nie ma pól zewnętrznych). W kondensacie Bosego-Einsteina zachodzi zjawisko nadciekłości. Kondensat opisywany jest w przybliżeniu nieliniowym równaniem Grossa-Pitajewskiego. Równanie to ma rozwiązania solitonowe, o wielkim znaczeniu eksperymentalnym. Występują zarówno "jasne" jak i "ciemne" rozwiązania solitonowe. Przybliżenie można polepszyć stosując rachunek zaburzeń – teorię Bogolubowa.

Historia

Zestaw do uzyskiwania kondensatu B-E w laboratorium FAMO na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu

Zjawisko przewidziane przez indyjskiego fizyka Satyendrę Natha Bosego i Alberta Einsteina w 1924, a po raz pierwszy zaobserwowane w 1995 dla rzadkiego, alkalicznego metalu – rubidu-87 (87Rb) – przez zespół badawczy z JILA w Boulder (Kolorado) Erica Cornella i Carla Wiemana[1]. Kondensat Bosego-Einsteina otrzymał również w tym samym czasie zespół Wolfganga Ketterlego z MIT, który zaobserwował kondensację sodu-23 (23Na)[2]. Eric Cornell, Wolfgang Ketterle i Carl Wieman za swoje pionierskie badania i otrzymanie po raz pierwszy kondensatu, w 2001 roku zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. W ciągu kolejnych lat udało się również otrzymać kondensaty Bosego-Einsteina gazów takich izotopów jak 7Li, 23Na, 39K, 41K, 85Rb, 87Rb, 133Cs, 52Cr, 40Ca, 84Sr, 88Sr i 174Yb.

Stosując technikę magnetoasocjacji w 2003 roku otrzymano pierwsze kondensaty Bosego-Einsteina cząsteczek (Li2[3][4], i K2[5]), przy czym były to kondensaty słabo związanych cząsteczek Feshbacha.

Pierwszy polski kondensat rubidu-87 otrzymany został 2 marca 2007 roku w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) w Toruniu, z wykorzystaniem aparatury skonstruowanej przez grupę Wojciecha Gawlika w Zakładzie Fotoniki Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie (budowa aparatury próżniowej i toru optycznego oraz uruchomienie dwóch pułapek magnetooptycznych) oraz grupę Włodzimierza Jastrzębskiego w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie (pułapka magnetyczna), a następnie przewiezionej do KL FAMO[6].

Ujęcie matematyczne

Liczba cząstek znajdujących się w stanie podstawowym zależy od warunków fizycznych, w jakich doprowadza się do kondensacji. Dla gazu swobodnego wzór jako pierwsi znaleźli właśnie Bose i Einstein, i ma on postać:

W sytuacji bardziej realistycznej, gdy układ znajduje się w pułapce harmonicznej, zależność ta ma postać:

gdzie:

  • N0 – liczba cząstek, która uległa kondensacji
  • N – całkowita liczba cząstek
  • T – temperatura kondensatu
  • TCtemperatura krytyczna

Dla innych sytuacji fizycznych, tzw. wykładnik krytyczny (potęga przy stosunku temperatury do temperatury krytycznej) może być inny. Powyżej temperatury krytycznej nie ma makroskopowego obsadzenia stanu podstawowego i gaz zachowuje się prawie jak gaz doskonały z małymi poprawkami wynikającymi ze statystyki kwantowej.

Kondensacja Bosego-Einsteina w kulturze

  • film Spectral (2016) - proces kondensacji Bosego-Einsteina jest używany jako wyjaśnienie na jakiej podstawie powstają zjawy, które zabijają ludzi w filmie[7].

Zobacz też

Przypisy

  1. M.H. Anderson i inni, Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor, „Science”, 269 (5221), 1995, s. 198–201, DOI10.1126/science.269.5221.198, PMID17789847 (ang.).c?
  2. K.B. Davis i inni, Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms, „Physical Review Letters”, 75 (22), 1995, s. 3969–3973, DOI10.1103/PhysRevLett.75.3969 (ang.).
  3. S. Jochim, Bose-Einstein Condensation of Molecules, „Science”, 302 (5653), 2003, s. 2101–2103, DOI10.1126/science.1093280, PMID14615548 (ang.).c?
  4. M.W. Zwierlein i inni, Observation of Bose-Einstein Condensation of Molecules, „Physical Review Letters”, 91 (25), 2003, DOI10.1103/PhysRevLett.91.250401 (ang.).
  5. Markus Greiner, Cindy A. Regal, Deborah S. Jin, Emergence of a molecular Bose–Einstein condensate from a Fermi gas, „Nature”, 426 (6966), 2003, s. 537–540, DOI10.1038/nature02199, PMID14647340 (ang.).c?
  6. W. Gawlik i inni, Pierwszy polski kondensat Bosego-Einsteina, „Postępy Fizyki”, 58 (4), 2007, s. 156 [zarchiwizowane z adresu 2016-03-05].
  7. Ars Staff, The science of Spectral: Is that really how Bose–Einstein condensate behaves?, Ars Technica, 18 lipca 2017 [dostęp 2021-04-20] (ang.).

Linki zewnętrzne

  • Krzysztof Pawłowski, Krople kwantowe, [w:] pismo „Delta” [online], deltami.edu.pl, marzec 2021, ISSN 0137-3005 [dostęp 2021-09-14] (pol.). – artykuł o różnych formach kondensatu, w tym kroplach i supersolidach.

Media użyte na tej stronie

Laboratorium FAMO UMK A 232.jpg
Autor: Ciacho5, Licencja: CC BY-SA 4.0
Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (Toruń). Urządzenie do otrzymywania i badania Kondensatu Bosego-Einsteina.
Bose Einstein condensate.png
Bose–Einstein condensate — In the July 14, 1995 issue of Science Magazine, researchers from JILA reported achieving a temperature far lower than had ever been produced before and creating an entirely new state of matter predicted decades ago by Albert Einstein and Indian physicist Satyendra Nath Bose. Cooling rubidium atoms to less than 170 billionths of a degree above absolute zero caused the individual atoms to condense into a "superatom" behaving as a single entity. The graphic shows three-dimensional successive snap shots in time in which the atoms condensed from less dense red, yellow and green areas into very dense blue to white areas. JILA is jointly operated by NIST and the University of Colorado at Boulder.