Физики достигнули новейших фурроров в исследовании квантового мира.
В четверг, 24 ноября, в одном из самых популярных научных журналов - Nature - возникла статья ученых, которым в первый раз удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на базе фотонов. Вероятнее всего, большинству читателей предыдущее предложение ни о чем же не произнесло - не дивно. Конденсат Бозе-Эйнштейна - это чрезвычайно специфичная, но невозможно занимательная форма вещества, которую время от времени именуют его пятым состоянием, приравнивая к жесткому, водянистому, газообразному и плазме. Когда вещество находится в этом состоянии, в нем начинают на макроуровне проявляться квантовые эффекты - практически, конденсат Бозе-Эйнштейна представляет из себя великую « чрезвычайно великую » квантовую частичку.
Теория
Конденсат Бозе-Эйнштейна « КБЭ » на базе фотонов - это очень "продвинутый" вариант КБЭ, и чрезвычайно длинно числилось, что его нельзя получить в принципе. Но до того как поведать о нем, стоит объяснить, а что вообщем такое конденсат Бозе-Эйнштейна. Отчизной этого понятия может считаться Индия – конкретно там великую часть медли жил и работал людей, в первый раз указавший на возможность существования безызвестного ранее состояния материи. Этого жителя нашей планеты звали Шатьендранат Бозе, и он был одним из отцов-основателей квантовой механики.
Чтоб отметить научные награды Бозе, в его честь был назван одни из типов простых частиц – бозоны. К бозонам относятся, к примеру, фотоны - переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят мощное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Известный бозон Хиггса, ради поисков которого был сотворен Великий адронный коллайдер, тоже относится к данной категории простых частиц.
Принадлежность частички к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса простых частиц « время от времени понятие спина определяют как вращение частички вокруг своей оси, но такое представление очень упрощает ситуацию ». Спин бозона постоянно целый - другими словами выражается целым числом. У иной разновидности простых частиц - фермионов - спин полуцелый.
Бозоны и фермионы различаются друг от друга не совсем только значением спина - эти частички несходны по целому ряду основательных параметров. А именно, бозоны могут не покоряться так именуемому принципу, либо запрету, Паули, который постулирует, что две простые частички не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния различаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы « которые взыскательно соблюдают запрет Паули » попеременно наполняют поочередные состояния. Первыми занимаются состояния с меньшей энергией « самые "ненапряжные" для частиц », а заключительными – с самой высочайшей энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям приметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.
Бозоны при низких температурах водят себя по другому - они не ограничены запретом Паули и потому устремляются по способности занять самые комфортные места, другими словами квантовые уровни с меньшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит последующее: они начинают двигаться чрезвычайно медлительно - со скоростями порядка нескольких мм в секунду, чрезвычайно узко "прижимаются" друг к другу, "соскакивают" в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано - так, как водила бы себя одна громадная квантовая частичка.
Конкретно о таковой трансформации, которая обязана происходить с бозонами при температурах, недалёких к безусловному нулю, Шатьендранат Бозе написал сначала 1920-х годов Альберту Эйнштейну. Бозе собирался отправить свои выкладки в журнальчик Zeitschrift fur Physik, но Эйнштейн так вдохновился идеями индийского коллеги, что безотлагательно сам перевел его статью с британского на германский и выслал в редакцию. Создатель общей и специальной теорий относительности развил суждения Бозе « индус осматривал лишь фотоны, а Эйнштейн дополнил теорию Бозе для частиц, владеющих массой » и выложил свои выводы еще в 2-ух статьях, которые также были опубликованы в Zeitschrift fur Physik.
Практика
Таковым образом, теория КБЭ была, в общем и целом, разработана в первой трети XX века, но получить вещество в этом состоянии ученым удалось лишь через 70 лет. Причина задержки проста - для того чтоб бозоны начали вести себя как единичная квантовая система, их необходимо охладить до температуры, отличающейся от безусловного нуля « минус 273,15 градуса Цельсия » на несколько миллионных частей градуса. Длинное время физики просто не умели добиваться настолько низких температур. 2-ая сложность содержалась в том, что почти все вещества при приближении к безусловному нулю начинают вести себя как воды, а для получения КБЭ нужно, чтоб они оставались "газами" « слово "газ" взято в кавычки, потому что при сверхнизких температурах частички вещества утрачивают подвижность - один из основополагающих признаков газа ».
Посреди 1990-х годов было показано, что щелочные сплавы натрий и рубидий при охлаждении берегут "правильные" характеристики, а означает, теоретически могут перейти в состояние КБЭ « и изотоп рубидия-87, и единый изотоп натрия-23 имеют целые атомные спины и являются так именуемыми составными бозонами ». Для того чтоб снизить температуру атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений, исследователи Эрик Корнелл « Eric A. Cornell » и Карл Вимен « Carl Wieman » из JILA - объединенного института Государственного института стандартов и технологии США « NIST » и института штата Колорадо в Боулдере - употребляли лазерное остывание совместно с остыванием испарением.
С помощью лазеров атомы охлаждаются так: атом поглощает передвигающиеся ему навстречу фотоны и потом испускает излучение. При всем этом происходит постепенное замедление атома, а температура совокупы атомов, соответственно, понижается. Но 1-го лазерного остывания недостаточно для заслуги температур, при которых вероятен переход в состояние КБЭ. "Убрать" излишние части градуса можнож, ежели изъять из смеси самые прыткие атомы « по такому же принципу охлаждается чашечка чая, оставленная на столе ».
В 1995 году ученым из JILA удалось охладить около 2 тыщ атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов « один нанокельвин – это 1x10-9 кельвина », и в итоге они перешли в состояние КБЭ. В экспериментальной камере конденсат удерживался с помощью магнитной ловушки особенной сборки. Через четыре месяца опосля того, как группа Корнелла и Вимена опубликовала результаты собственных опытов, возникла статья физика Вольфганга Кеттерле « Wolfgang Ketterle » из Массачусетского технологического института « MIT », который смог получить КБЭ на базе атомов натрия. Кеттерле употреблял несколько другой принцип удержания атомов в магнитной ловушке, и ему удалось перевести в "пятое состояние материи" намного больше атомов, чем его коллегам из JILA. В 2001 году все трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.
С 1995 года получением и исследованием КБЭ занялось множество групп физиков, которые изучили возникающие в нем завихрения, интерференцию волн меж конденсатами и много чего же иного. В 2009 году ученым в первый раз удалось перевести в это состояние атомы кальция - возникающая волновая картина для этого элемента приметно наиболее точная, чем для щелочных металлов. В 2003 году группа Кеттерле смогла создать аналог лазера из КБЭ и даже получить КБЭ из фермионов. В конце концов, в 2010 году был в первый раз получен КБЭ на базе фотонов - длинное время почти все физики были убеждены, что это принципиально невероятно.
А именно, профессионалы считали, что кванты света будут поглощаться стенами экспериментальной камеры и "ускользать" от экспериментаторов. Для того чтоб словить, охладить и удержать достаточное для получения и исследования КБЭ количество фотонов, ученые из института Бонна употребляли два изогнутых зеркала, расстояние меж которыми сочиняло около 1,5 микрометров - это сопоставимо с длиной волны фотонов, находящихся в квантовом состоянии с малой энергией.
Способ лазерного остывания для фотонов неприменим - они очень слабо взаимодействуют друг с ином, потому исследователи остужали их с помощью специального красителя, который всасывал и испускал кванты света. Фотоны сталкивались с его молекулами и равномерно их температура выравнивалась с температурой красителя. В отличие от атомов, для получения КБЭ на базе фотонов их не надо остужать до нуля кельвинов - переход происходит теснее при к-тной тмп-ре. Сами фотоны исследователи "закачивали" в щель с помощью лазера. Переход в состояние КБЭ происходил, когда число фотонов приближалось к 60 тыщам.
У читателей может появиться вопросец, а для чего ученые копаются с сиим непонятным КБЭ. Другими словами чисто основательный энтузиазм физиков "пощупать" и конкретно узреть проявление закономерностей квантовой механики понятен, но есть ли у "пятого состояния" какое-нибудь полезное практическое применение?Как и в случае с иными физическими открытиями, таковой вопросец преждевременен - навряд ли ученые, исследовавшие характеристики радиоактивного распада либо электронов, могли предсказать, как масштабными окажутся последствия их работ.
Во-1-х, рано либо поздно инженеры выдумывают новейшие приборы, в каких изучаемые объекты употребляются конкретно и которые не были бы изобретены до того, как физики обрисовали характеристики этих объектов. А во-2-х, исследование новейших явлений расширяет представления жителей нашей планеты о физике и дозволяет в дальнейшем раскрывать и изъяснять иные безызвестные ранее явления, которые лягут в базу новейших устройств и технологий, и т д.
Сейчас одним из более явных практических применений КБЭ считается творение на его базе сверхточных сенсоров - к примеру, сенсоров магнитного либо гравитационного полей. Наиболее детальные предвестия можнож будет делать по мере последующего исследования параметров КБЭ, которое продвигается очень-очень живо.