Kondensat Bosego-Einsteina

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
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

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 położeniowej – 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 Bogoliubowa.

Historia[edytuj | edytuj kod]

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 pierwiastków 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 w Toruniu, z wykorzystaniem aparatury skonstruowanej przez grupę Wojciecha Gawlika w Zakładzie Fotoniki Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i następnie przewiezioną do KL FAMO[6].

Ujęcie matematyczne[edytuj | edytuj kod]

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.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Publikacja w otwartym dostępie – możesz ją bezpłatnie przeczytać 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.).
  2. Publikacja w płatnym dostępie – wymagana płatna rejestracja lub wykupienie subskrypcji 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. Publikacja w płatnym dostępie – wymagana płatna rejestracja lub wykupienie subskrypcji S. Jochim, Bose-Einstein Condensation of Molecules, „Science”, 302 (5653), 2003, s. 2101–2103, DOI10.1126/science.1093280, PMID14615548 (ang.).
  4. Publikacja w płatnym dostępie – wymagana płatna rejestracja lub wykupienie subskrypcji 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. Publikacja w płatnym dostępie – wymagana płatna rejestracja lub wykupienie subskrypcji 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.).
  6. Publikacja w otwartym dostępie – możesz ją bezpłatnie przeczytać W. Gawlik i inni, Pierwszy polski kondensat Bosego-Einsteina, „Postępy Fizyki”, 58 (4), 2007, s. 156 [dostęp 2019-07-22].