Bose-Einstein condensaat

Een Bose-Einstein condensaat is een toestand van het belichte materiaal op macroscopisch niveau, bestaande uit identieke bosonen, zoals een groot aantal van deze deeltjes tot een temperatuur voldoende laag, bezet een quantumtoestand van laagste energie voor woningen specifiek.

Dit fenomeen werd in 1925 voorspeld door Albert Einstein, die de zaak van de koolstof werk Satyendranath Bose op quantum statistieken fotonen gegeneraliseerd. In 1938, Pjotr ​​Kapitsa, John Allen en Don Misener ontdekte de aard van supervloeibaar helium 4, voor temperaturen onder 2,17 K. Dit pand werd al snel verbonden met de Bose-Einstein condensatie van een deel van de atomen helium 4, die bosonen, door Fritz Londen. De eerste gasvormige condensaat werd in 1995 geproduceerd door Eric Cornell en Carl Wieman, de weg voor de studie van ultrakoude atomaire gassen verdunnen in de quantum regime bestrating en biedt hen de Nobelprijs voor natuurkunde in 2001.

Historisch

Theoretische voorspellingen

Quantum statistische betrokken bij de condensatie van Bose-Einstein relatie deeltjes behoren tot de familie van bosonen, waarvan de rotatie integer zijn, in tegenstelling tot de familie van fermionen zijn halftallige spin.

Satyendra Nath Bose voorgesteld een statistiek voor verschillende photon klassieke Boltzmann die zijn gebaseerd op de mogelijkheid om meerdere fotonen in dezelfde toestand en de absolute ononderscheidbaarheid twee fotonen van dezelfde kwantumtoestand. Albert Einstein gegeneraliseerde deze statistiek alles deeltje deeltjes, zij niet vast, zoals foton of massa, zoals helium 4 atomen.

De studie van de laatste van de perfecte monoatomaire bosonische gassen toonde het bestaan ​​van een fase-overgang tussen conventionele gas en een toestand van de materie waarbij de atomen zich ophopen in de kwantumtoestand van de laagste energie, wanneer de temperatuur werd verlaagd. Deze fase heet nu een Bose-Einstein. Het manuscript van Albert Einstein, getiteld Quantum theorie van het monatomic ideaal gas, gedateerd december 1924 werd gevonden in de archieven van het Lorenz Instituut van de Universiteit van Leiden.

De supervloeibaar helium

Na de experimentele ontdekking van supervloeibaarheid helium 4 vloeistof bij lage temperatuur door Pjotr ​​Kapitsa, John Allen en Don Misener, Fritz Londen stelde het bestaan ​​van een verband tussen dit fenomeen en de condensatie Bose-Einstein. Inmiddels is ontdekt dat zeer lage temperatuur, ongeveer 10% van de atomen bezetten dezelfde kwantumtoestand, effectief de vorming van een condensaat. Vanwege sterke wisselwerking tussen helium atomen, het aantal gecondenseerde koolstof blijft laag, zelfs bij zeer lage temperaturen, zodat het gehele vloeistof superfluid eigenschappen. Het is derhalve geen sprake stricto sensu condensaat Bose-Einstein, wanneer men verdunde gas van bosonen zonder interactie, maar het is inderdaad een condensaat, waarin een sterke interactie tussen bosonen die optreedt moet rekening worden gehouden met de theorie.

Ultrakoude atomaire gassen verdunnen

De fysica van helium 4 bij zeer lage temperaturen is zeer ingewikkeld vanwege de sterke wisselwerking tussen atomen. Om te onderzoeken en te benutten gewoon de condensatie van Bose-Einstein, hebben we geprobeerd om het te observeren zeer verdunde systemen, dichter bij de ideale gas die oorspronkelijk werd geïntroduceerd door Einstein model.

De experimentele waarneming van condensaat is mogelijk dankzij de ontwikkeling van technische koelen van atomen laser zijn. Zeer lage temperaturen bereikt zijn de condensatie regeling voor voldoende verdunde gassen bereikt voor de interacties niet de condensatie maskeren. In 1995, een team van NIST / JILA laboratorium, geregisseerd door Eric Cornell en Carl Wieman, beheerd voor een paar seconden een Bose-Einstein te krijgen; het bestond uit een paar duizend atomen voorgekoeld laser rubidium en vervolgens verder afgekoeld door "verdamping" in magneetval. De temperatuur gas was toen in de orde van.

Een derde onderzoeker Wolfgang Ketterle afgestudeerd aan de Ludwig-Maximilian Universiteit van München, bestudeert ook zijn kant "laserkoeling en de vangst koude atomen" en superfluiditeit gas "hoge temperatuur".

Deze drie onderzoekers ontvangt in 2001 de Nobelprijs voor de Natuurkunde "voor de ontdekking van de Bose-Einstein condensatie in gassen en voor vooruitgang in de studie van de eigenschappen van de condensaten".

Condensatie van excitonen

De condensatie Bose-Einstein werd verkregen in 2006 voor exciton quasi-deeltjes bestaat uit een gat en een elektron in gecondenseerde materie. Het was gemaakt van thermodynamisch evenwicht en veel hogere temperaturen, tot 20 K. Met een fractie van excitonen gecondenseerd ongeveer 50%, dit systeem tussen superfluid helium en atomaire condensaten.

Fysische eigenschappen

Perfect Bose gas

Einstein toonde in 1925 dat identieke bosonen, zonder interactie tussen hen, bij thermodynamisch evenwicht, condenseren in een nieuwe toestand van de materie op een voldoende lage temperatuur. Deze toestand heet nu Bose-Einstein; het wordt gekenmerkt door een macroscopisch populatie van de quantumtoestand van de laagste energie. De status temperatuurverandering wordt gegeven door de relatie

waarin

  • is de temperatuur verandering van de staat,
  • de dichtheid van bosonen,
  • de massa van een boson,
  • De constante van Planck,
  • de Boltzmann constante en
  • de Riemann Zeta-functie: Ç ≈ 2,6124.

London gemerkt dat de temperatuur van de superfluïde overgang van helium-4 is van dezelfde orde van grootte als Bose-Einstein condensatie temperatuur van een ideaal gas van dezelfde dichtheid als vloeibaar helium, waar zijn intuïtie dat twee verschijnselen zijn gerelateerd. De superfluid vloeibare helium, echter zeer verschillend van het ideale gas model.

Het gas condensaat onlangs verkregen is ongeveer duizend miljard keer meer verdund dan vloeibaar helium; de condensatietemperatuur is dan de microkelvin.

Effect interacties

Als zwakke interacties verklaart het succes van het ideale model gas bepaalde eigenschappen gascondensaat voorspellen, kunnen andere effecten alleen begrepen door rekening te houden met de wisselwerking tussen atomen, bijvoorbeeld de grootte van de gevangen condensaat of de superfluiditeit maar haar oscillatiefrequenties wanneer doen trillen. Bij een verdunde gas, Gross-Pitaevskii vergelijking kan rekening houden met deze interacties.

De Feshbach resonantie fenomeen maakt het ook mogelijk om de sterkte van de interacties veranderen door dompelen van het condensaat in een magnetisch veld. Men kan dus overwegen situaties waarin het condensaat atomen sterk gecorreleerd. Deze onderzoeken kunnen nuttig zijn voor het begrip van ingewikkelde verschijnselen in gecondenseerde materie, zoals Mott overgang.

Atomic interferentie

Condensaat vormt een golf samenhangende kwestie. Twee golfpakketten uit dezelfde of twee verschillende condensaat Condensaat storen wanneer ze analoog zijn gesuperponeerd op het interferentiepatroon holes optische Young.

Een ultra-koude atoom wolk gevangen in een optisch netwerk vorm van een reeks van regelmatige afstand condensaten die, wanneer bemoeien allemaal samen, kan een patroon met zeer gestikt interferentie te vormen, zoals het diffractiepatroon van een lichtgolf door een netwerk.

Condensaat en draaiende vortex

De rotatie van een condensaat dramatisch onthult de beperkingen van de kwantummechanica beperkingen. Het is onmogelijk om een ​​blok condensaat werking, zoals een klassiek object. De rotatie gaat gepaard met de creatie van de werveling, die lijnen waarlangs de dichtheid nul is en waaromheen de snelheid circulatie gekwantificeerd zeggen. De eerste waarneming werd uitgevoerd vortex in het team van Jean Kastler Brossel Laboratory Dalibard.

Toepassingen

Wetenschappers

Een toepassing is het realiseren van atoom lasers, die instrumenten kan leveren een bundel atomen zich in dezelfde toestand als de fotonen van een laserbundel te zeggen. Dit zou een goede service aan de optica en atomaire interferometrie, chemie te maken. Verschillende natuurkundigen teams beheerd door 1997 te laseren met koolstof, het principe eerst om een ​​condensaat te vormen en vervolgens geëxtraheerd met een geschikt middel dat een gedeelte van de gecondenseerde koolstof. Maar er moet nog veel worden gedaan voordat ze naar merkbare atomaire flux intensiteit en duur.

Industrieel

Een toepassing kan zijn bij de ontwikkeling van korte golflengte lasers. Deze applicatie, onderzoekers voorgesteld aan de universiteit van Bonn nadat zij foton condensaat kan worden gebruikt voor de miniaturisering van gedrukte schakelingen omvatten.

Generalisatie van het begrip condensatie

Het wordt gewoonlijk aangenomen dat een condensaat wordt gekenmerkt door macroscopische fractie atomen in slechts de grondtoestand. Maar het is experimenteel aangetoond, vooral voor koude atomen in zeer anisotroop vallen die condensatie kunnen optreden op meerdere kwantumtoestanden dichtbij de grondtoestand, die wordt gekenmerkt door een afname in het condensaat coherentielengte . Dit heet een gefragmenteerde condensaat. Condensatie van Generalized Bose-Einstein een theoretisch concept te beschrijven en classificeren van de verschillende mogelijke condensaat.