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 chlodzeniu przez odparowanie 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-Einsteina – efekt 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:

N 0 = N [ 1 ( T T C ) 3 2 ] . {\displaystyle N_{0}=N\left[1-\left({\frac {T}{T_{C}}}\right)^{\frac {3}{2}}\right].}

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

N 0 = N [ 1 ( T T C ) 3 ] , {\displaystyle N_{0}=N\left[1-\left({\frac {T}{T_{C}}}\right)^{3}\right],}

gdzie:

  • N 0 {\displaystyle N_{0}} – liczba cząstek, która uległa kondensacji,
  • N {\displaystyle N} – całkowita liczba cząstek,
  • T {\displaystyle T} – temperatura kondensatu,
  • T C {\displaystyle T_{C}} temperatura 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(inne języki) (2016) – proces kondensacji Bosego-Einsteina jest używany jako wyjaśnienie na jakiej podstawie powstają zjawy, które zabijają ludzi w filmie[7].

Przypisy

  1. M.H.M.H. Anderson M.H.M.H. i inni, Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor, „Science”, 269 (5221), 1995, s. 198–201, DOI: 10.1126/science.269.5221.198, PMID: 17789847  (ang.).
  2. K.B.K.B. Davis K.B.K.B. i inni, Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms, „Physical Review Letters”, 75 (22), 1995, s. 3969–3973, DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.3969  (ang.).
  3. S.S. Jochim S.S., Bose-Einstein Condensation of Molecules, „Science”, 302 (5653), 2003, s. 2101–2103, DOI: 10.1126/science.1093280, PMID: 14615548  (ang.).
  4. M.W.M.W. Zwierlein M.W.M.W. i inni, Observation of Bose-Einstein Condensation of Molecules, „Physical Review Letters”, 91 (25), 2003, DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.250401  (ang.).
  5. MarkusM. Greiner MarkusM., Cindy A.C.A. Regal Cindy A.C.A., Deborah S.D.S. Jin Deborah S.D.S., Emergence of a molecular Bose–Einstein condensate from a Fermi gas, „Nature”, 426 (6966), 2003, s. 537–540, DOI: 10.1038/nature02199, PMID: 14647340  (ang.).
  6. W.W. Gawlik W.W. i inni, Pierwszy polski kondensat Bosego-Einsteina, „Postępy Fizyki”, 58 (4), 2007, s. 156 [zarchiwizowane z adresu 2016-03-05] .
  7. ArsA. Staff ArsA., The science of Spectral: Is that really how Bose–Einstein condensate behaves? [online], Ars Technica, 18 lipca 2017 [dostęp 2021-04-20]  (ang.).

Linki zewnętrzne

  • KrzysztofK. Byczuk KrzysztofK., Obserwacja kondensacji Bosego-Einsteina, [w:] pismo „Delta”, deltami.edu.pl, październik 1996, ISSN 0137-3005 [dostęp 2024-03-25]  (pol.).
  • KrzysztofK. Pawłowski KrzysztofK., Krople kwantowe, [w:] pismo „Delta”, deltami.edu.pl, marzec 2021, ISSN 0137-3005 [dostęp 2021-09-14]  (pol.). – artykuł o różnych formach kondensatu, w tym kroplach i supersolidach.
  • LCCN: sh92005509
  • GND: 4402897-0
  • BnF: 13166512t
  • SUDOC: 035093315
  • BNCF: 45444
  • BNE: XX5057800
  • J9U: 987007537184705171
  • Britannica: science/Bose-Einstein-condensate
  • Universalis: condensation-de-bose-einstein
  • БРЭ: 1869523
  • NE.se: bose-einstein-kondensat
  • SNL: Bose-Einsteinkondensat