СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА - КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЭНШТЕЙНА


ЛАБОРАТОРИЯ ПРОСТРАНСТВ 
galactic.org.ua 
ФИЗИКА 

 


9 октября 2001 года юбилейную, сотую Нобелевскую премию по физике получили американские физики Карл Виеман (Carl Wieman) из Университета штата Колорадо и Эрик Корнелл (Eric A. Cornell) из Национального института стандартов и технологий и немецкий физик Вольфганг Кеттерль (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института. Шведская королевская академия наук присудила им премию в размере 950 тысяч долл. за экспериментальное открытие нового состояния вещества - конденсата Бозе-Эйнштейна.

ЛАЗЕР
Конденсат, раскрученный в эллипсоидной ловушке

     Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) назван так по имени индийского физика Шатьендраната Бозе, на основе работ которого Альберт Эйштейн 75 лет назад предсказал возможность существования некоего газового конденсата, который обладает свойствами отдельного атома.

    Со школьной скамьи всем известно понятие "идеального газа": при обычных температурах газ состоит из множества беспорядочно движущихся атомов, которые можно представить себе в виде сталкивающихся между собой и отлетающих друг от друга бильярдных шаров. При охлаждении эти "шары" будут замедляться в своем движении и расстояние между ними будет сокращаться, пока они не соберутся в одну плотную массу. Затем, при приближении температуры к абсолютному нулю, движение шаров перейдет в их вибрацию, они тысячекратно увеличатся в размерах и потеряют свои строгие очертания - это уже будут не шары, а бесформенные "облака", проходящие сквозь друг друга. Два самых медленных центральных облака сольются в одно и образуют единую эллипсоидную сферу, которая затем поглотит все остальные облака. В итоге перед нами предстанет одно большое облако, в котором уже невозможно будет различить отдельные части, но это облако будет обладать свойствами частей, из которых оно образовалось.

    Так выглядит модель образования КБЭ, самого холодного газа во вселенной. "Шары" в этой модели представляют корпускулярные функции атомов, а "облака" - их волновые функции. Как известно из квантовой механики, атомы обладают одновременно и той, и другой функцией. При охлаждении газа движение частиц замедляется и корпускулярная функция атомов (определяющая их пространственное положение) теряет свое значение, а волновая функция (определяющая квантовое состояние) - предельно возрастает.

    Все элементарные частицы подразделяются на фермионы и бозоны. Фермионы, к которым относятся электроны, протоны и нейтроны, образно говоря, страдают клаустрофобией: два соседних фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Бозоны, к которым относятся фотоны, при определенных условиях соединяются в идентичные квантовые состояния. Сложные частицы, такие как атомы, также являются либо фермионами, либо бозонами. Атом выступает в качестве бозона, когда он состоит из четного числа фермионов - электронов, протонов и нейтронов. Все атомы определенного вещества имеют одинаковую волну, и это позволяет бозонам "петь в унисон" в едином "хоре". Когда газ, состоящий из атомов-бозонов, охлаждается до сверхнизких температур, волновые функции атомов накладываются одна на другую, в результате чего все атомы аккумулируются в одно квантовое состояние.
 

 

   

ЛАЗЕР
бериллиевые ионы в ловушке


модель двухкомпонентного конденсата

ЛАЗЕР
фонтан сверхтекучего гелия

    Таким образом, КБЭ, как и любое другое вещество, состоит из отдельных атомов, но, в отличие от обычного вещества, атомы теряют в нем свою индивидуальность. Становится невозможным отличить часть от целого, и по сути получается конгломерат атомов, обладающий квантовыми свойствами одного отдельно взятого атома. Этот гигантский квази-атом больше обычного в 100 тысяч раз и даже крупнее человеческой клетки. Благодаря своим размерам, КБЭ дает экспериментаторам уникальную возможность непосредственно проверять на практике теоретические положения квантовой механики: в современной науке он выполняет ту же роль, что и яблоки - в ньютоновские времена.

    Впервые вещество, обладающее свойствами КБЭ, было получено в 1938 году. Советский физик Петр Капица и канадец Джон Аллен охладили гелий-4 до температуры ниже 2.2 кельвина, в результате чего этот газ приобрел свойства сверхтекучей жидкости, совершенно не имеющей вязкости. Сверхтекучий гелий демонстрирует необычные свойства: он может выливаться вверх из открытого контейнера (см. ниже фото) или растекаться по вертикальным стенам.  Сверхтекучесть в гелии происходит благодаря тому, что часть атомов гелия, до 10 процентов, превращается в КБЭ.
    В лазерной технике также используются свойства КБЭ путем синхронизации волн фотонов, которые по определению являются бозонами. В процессе получения лазерного луча используется предрасположенность бозонов к концентрации в единое квантовое состояние.

    Другая сфера применения КБЭ - сверхпроводники. Сверхпроводимость достигается путем низкотемпературной конденсации электронов в пары. Парные связки электронов образуются только в определенных веществах при определенных условиях, например, в алюминии, охлажденном до 1.2 кельвина. Одиночные электроны не могут использоваться для получения КБЭ, потому что они представляют собой несовместимые по волновым функциям фермионы, но когда они объединяются в пары, в результате получаются бозоны, которые немедленно конденсируются в КБЭ. (Подобный процесс спаривания и конденсации происходит в сверхтекучем гелии-3, атомы которого являются фермионами).

    Наконец, свойства КБЭ наблюдаются в экситоне (от лат. excito - возбуждаю). Это квазичастица, которая представляет собой связанное состояние электрона и так называемой "дырки" - отсутствующего электрона в узле кристаллической решетки полупроводника. В такую пару могут на короткое время объединяться генерируемые лазерным импульсом электрон и дырка, которая ведет себя как положительно заряженная частица. В 1993 году физики наблюдали образование из экситонов кратковременного газообразного конденсата в полупроводнике на основе окиси меди.

    Однако, феномен КБЭ в чистом виде был экспериментально продемонстрирован сравнительно недавно. В 1995 году группа физиков - нынешних нобелевских лауреатов - произвела этот конденсат при помощи атомных ловушек с использованием лазерных лучей и магнитных полей, в которых атомы рубидия были охлаждены до сверхнизкой температуры  в несколько сот нанокельвинов. Вслед за этим группы ученых во всем мире произвели множество экспериментов с КБЭ, в которых на него воздействовали лазерными лучами, звуковыми волнами, магнитными полями и т.д. В частности, при прохождении лазерного луча через газовый конденсат было достигнуто замедление скорости света до скорости движения пешехода (метр в секунду). Полученные результаты в основном соответствовали ожидаемым в соответствии с постулатами квантовой механики. Таким образом, было положено начало переходу от квантовой  теории к квантовой практике.

    В ближайшем будущем можно ожидать широкое внедрение КБЭ в технологию точных измерений, что сделает возможным создание сверхточных приборов наведения и ориентации, гравитометров, систем определения положения самолетов и космических кораблей с точностью до нескольких сантиметров.  Другая перспективная область внедрения КБЭ - нанотехнология, обещающая появление нано-роботов, способных собирать молекулы любого вещества из отдельных атомов, и сверхмощных квантовых компьютеров.

    Основным инструментом внедрения феномена КБЭ в технический прогресс станет, по всей видимости, АТОМНЫЙ ЛАЗЕР. Это устройство представляет собой материальный аналог оптического лазера. То есть, вместо луча света генерируется направленный "луч" материального вещества. Такой луч представляет собой когерентный, свободно движущийся поток газового концентрата. Термин "когерентный" в данном случае означает, что все атомы в луче движутся квантово-синхронно, то есть их волновые функции взаимно упорядочены.

ЛАЗЕР
луч атомного лазера, состоящий из 140 взаимно покрываемых импульсов

    Первый атомный лазер был создан в 1997 году группой Вольфганга Кеттерля и приводился в действие силой гравитации. Содовый концентрат облучали радиоимпульсами, под воздействием которых часть атомов меняла свой спин. На атомы с измененным спином не распространялось действие ловушки, и они в буквальном смысле слова выпадали из нее. Фактически, такой атомный лазер больше напоминал не луч света, а струю воды, льющуюся из крана.

    В 1998 году Теодор Хёнш из Мюнхенского университета продемонстрировал подобную систему, в которой был задействован непрерывный поток атомов рубидия. Рубидиевый атомный луч был в миллион раз ярче всех ему подобных. Примерно в то же время Вилльям Филлипс и Стивен Ролстон из Национального института стандартов и технологий создали, наконец, атомный лазер, луч которого можно было посылать в любом направлении, а не только вниз. В своей конструкции они использовали оптические лазеры, выбивающие из конденсата атомы через вращающуюся дыру на краю ловушки - так называемый "круг смерти". С помощью определенной последовательности лазерных импульсов, тщательно синхронизированных с кругом смерти, ученые получили когерентный, интенсивный и непрерывный поток атомов - аналог яркого луча оптического лазера.

    В настоящее время атомные лучи уже используются в ряде научных и промышленных приборов, в частности, в атомных часах, в высокоточных измерительных инструментах для определения фундаментальных констант и в производстве компьютерных чипов. Однако можно предположить, что широкое внедрение атомных лазеров займет довольно долгое время, судя по тому, что между изобретением оптического лазера и его повсеместным применением в бытовой технике прошло 30 лет. Основная проблема использования атомного лазера заключается пока что в том, что его луч распространяется только в вакууме.

    Среди научно прогнозируемых сфер применения атомного лазера на грани фантастики - атомная голография. Теоретически возможно создание в будущем атомно-лазерных принтеров и факсов, которые позволят распечатывать и передавать на большие расстояния не плоские изображения объектов, но их материальные трехмерные модели.

вестник под редакцией Михаила Эпштейна и Алексромы www.topos.ru

.

   

- человек - концепция - общество - кибернетика - философия - физика - непознанное
главная - концепция - история - обучение - объявления - пресса - библиотека - вернисаж - словари
китай клуб - клуб бронникова - интерактив лаборатория - адвокат клуб - рассылка - форум

Нужен конденсатоотводчик? На https://artezia.com.ua конденсатоотводчики в ассортименте