Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Конденсат Бозе — Эйнштейна — пятое состояние материи

Конденсат Бозе — Эйнштейна – специфическое агрегатное состояние агрегатное состояние вещества, которая представлено по большей части бозонами в условиях сверхнизкой температуры.

Является конденсированным состояниям бозе-газа — газа, состоящего из бозонов и подчиняющемуся квантовомеханическим эффектам.

Статистика Бозе — Эйнштейна

В 1924-м году индийский физик Сатьендра Нат Бозе предложил квантовую статистику для описания бозонов, частиц с целым спином, которые также были названы в честь него.

В 1925-м году Альберт Эйнштейн обобщил труды Бозе, применив его статистику к системам, состоящим из атомов с целым спином. К таким атомам, например, относятся атомы Гелия-4.

В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются запрещающему принципу Паули, то есть несколько бозонов могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Ученые Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн

Статистика Бозе — Эйнштейна способна описать распределение частиц с целочисленным или нулевым спином. Кроме того, эти частицы не должны взаимодействовать и должны быть тождественны, то есть неразличимы.

Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой газ, состоящий из частиц или атомов с целым спином. Как известно, частицы способны принимать сразу несколько квантовых состояний – так называемые квантовые эффекты.

Согласно работе Эйнштейна, с понижением температуры количество доступных частице квантовых состояний будет уменьшаться. Причиной этому служит то, что частицы с понижением температуры все больше будут предпочитать наименее энергетические состояния.

Учитывая то, что бозоны способны одновременно находиться в одном и том же состоянии, с понижением температуры они перейдут в одно и то же состояние.

Таким образом, конденсат Бозе — Эйнштейна будет состоять из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном состоянии. Примечательно, что также с понижением температуры все более будет проявляться волновая природа частиц. На выходе будем иметь одну квантово-механическую волну в макромасштабах.

Данные распределения скорости (3 вида) для газа атомов рубидия, подтверждающие открытие новой фазы вещества, конденсата Бозе-Эйнштейна. Слева: перед появлением конденсата Бозе-Эйнштейна. Центр: сразу после появления конденсата. Справа: после дальнейшего испарения, оставляя образец почти чистого конденсата.

Как получить конденсат Бозе — Эйнштейна?

Впервые данное агрегатное состояние было достигнуто в 1995-м году американскими физиками из Национального института стандартов и технологии – Эриком Корнеллом и Карлом Вименом. В эксперименте использовалась технология лазерного охлаждения, благодаря которой удалость понизить температуру образца до 20 нанокельвинов.

В качестве материала для газа использовался рубидий-87, 2 тысячи атомов которого перешли в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна. Спустя четыре месяца немецкий физик Вольфганг Кеттерле также достиг конденсата в значительно больших объемах.

Таким образом ученые экспериментально подтвердили возможность достижения «пятого агрегатного состояния» в условиях сверхнизких температур, за что в 2001-м году получили Нобелевскую премию.

В 2010-м году немецкие ученые из Боннского университета под руководством Мартина Вейца получили конденсат Бозе — Эйнштейна из фотонов при комнатной температуре. Для этого использовалась камера с двумя изогнутыми зеркалами, пространство между которыми постепенно заполнялось фотонами.

В некоторый момент, «запускаемые» внутрь фотоны уже не могли прийти к равновесному энергетическому состоянию, в отличие находящихся там ранее фотонов. Эти «лишние» фотоны начали конденсироваться, переходя в одно и то же наименее энергетическое состояние и образовывая тем самым пятое агрегатное состояние.

То есть ученым удалось получить конденсат из фотонов при комнатной температуре, без охлаждения.

Уже к 2012-му году удалось достичь конденсат из множества других изотопов, в том числе изотопы натрия, лития, калия и др. А в 2014-м году была успешно протестирована установка для создания конденсата, которую в 2017-м году отправят на Международную космическую станцию для проведения экспериментов в условиях невесомости.

Применение конденсата

Хотя данное явление сложно представить, как и любые квантовые эффекты, подобное вещество может найти применение в широком спектре задач. Одним из примеров применения конденсата Бозе — Эйнштейна является атомный лазер. Как известно, излучение, испускаемое лазером, является когерентным. То есть фотоны такого излучения имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны.

Если же фотоны будут находиться в одном квантово-механическом состоянии, как в случае с конденсатом Бозе — Эйнштейна, то существует возможность синхронизировать данное охлажденное вещество, чтобы получить излучение для более эффективного лазера.

Такой атомный лазер был создан еще в 1997-м году под руководством Вольфганга Кеттерле – одного из первых ученых, создавших конденсат.

Метод получения конденсата из фотонов, который был использован немецкими учеными в 2010-м году может найти применение в солнечной энергетике. По мнению некоторых физиков, это позволит повысить эффективность солнечных элементов в условиях пасмурной погоды.

Конденсат Бозе — Эйнштейна — графическая визуализация

Так как конденсат Бозе — Эйнштейна был получен относительно недавно, сферы его применения еще точно не определены. Однако, по мнению различных ученых, конденсат может быть полезен во многих областях, начиная от медицинского оборудования и заканчивая квантовыми компьютерами.

by HyperComments

Как Эйнштейн помогает получать Нобелевскую премию

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Биографы в большинстве своём игнорируют последние 30 лет жизни Эйнштейна, рассматривая их как нечто неловкое, недостойное гения, как пятно на его во всём остальном кристально чистой истории.

Однако научный прогресс последних десятилетий позволил нам совершенно по-новому взглянуть на наследие Эйнштейна.

Дело в том, что его работа была настолько фундаментальной, так перевернула само основание человеческого знания, что влияние Эйнштейна до сих пор ощущается в физике.

Многие семена, посеянные Эйнштейном, прорастают только сейчас, в XXI веке, прежде всего потому, что наши инструменты — космические телескопы, рентгеновские космические обсерватории, лазеры — стали достаточно мощными и чувствительными, чтобы проверить самые разные его предсказания, сделанные несколько десятилетий назад.

Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня учёным выиграть Нобелевскую премию.

Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики.

В этой главе обсуждаются новые достижения в трёх областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.

В 1924 году, когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе — Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.

В 1995 году, однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив чистый конденсат Бозе — Эйнштейна из 2000 атомов рубидия при температуре на двадцать миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.

Кроме того, Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института независимо от них тоже получил конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором было достаточно атомов натрия, чтобы проводить на нём важные эксперименты. Он доказал, что эти атомы демонстрируют интерференционную картину, соответствующую состоянию, когда атомы скоординированы друг с другом.

Иными словами, они вели себя как суператом, предсказанный Эйнштейном более 70 лет назад.

Практическое применение конденсата Бозе — Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания

После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 году в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата.

Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен.

Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата.

Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.

В 2001 году Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов».

Практическое применение конденсата Бозе — Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям.

Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных плёнок для полупроводников в компьютерах будущего.

Помимо атомных лазеров некоторые учёные говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или тёмная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться бо́льшая часть вещества Вселенной.

Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории.

Ещё в 1930–1940-е годы, когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно.

Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчётов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковёр» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены чёткие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проб­лема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от её решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.

Мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись

Сегодня признаётся, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено.

Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контр­интуитивного микроскопического мира квантов и волн.

В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определённой.

Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта отделяет стена.

Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли ещё дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчёркивал Вигнер, — это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделённый сознанием наблюдатель.

Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров.

Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность».

Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А всё потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».

За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 году Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота — «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно.

Кот в самом деле может быть мёртвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что Вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных.

Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от неё, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш.

Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира.

Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стёр с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.

NASA создаст на МКС «самое холодное место во Вселенной»

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

NASA

НАСА отправит этим летом на МКС специальный холодильник, внутри которого будет создано «самое холодное место во Вселенной» для изучения поведения атомов и работы гравитации в таких условиях, сообщает Лаборатория реактивного движения НАСА.

“Эксперименты с такими атомами могут перевернуть наши представления о том, что представляет собой материя, и поможет нам раскрыть фундаментальную природу гравитации.

Кроме того, прибор CAL позволит нам приблизиться к пониманию того, что представляет собой темная энергия, одна из самых загадочных субстанций Вселенной”, — заявил Роберт Томпсон (Robert Thompson), руководитель проекта CAL в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (США).

Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой необычную по своим свойствам форму материи, похожую на газ и жидкость, которая ведет себя как один атом и обладает типичными «атомными» свойствами. Это, как рассказывает учеными, позволяет легко манипулировать свойствами подобных искусственных «атомов» и использовать их в качестве кубитов, ячеек квантовых компьютеров, и прототипа сверхпроводниковых структур.

Физиков давно интересовало, как подобные коллективные «атомы» ведут себя в космосе, однако проверка их идей была затруднена тем, что установка, способная охладить атомы щелочных металлов для их превращения в конденсат Бозе-Эйнштейна, занимала несколько зданий. Недавно немецкие инженеры создали миниатюрную версию этой системы и отправили ее в космос, создав первый «космический» конденсат Бозе-Эйнштейна.

Американские ученые планируют запустить более масштабный и продолжительный эксперимент с конденсатом Бозе-Эйнштейна на борту МКС, отправив туда этим летом прибор CAL — ящик-холодильник размером с чемодан. Внутри него будет поддерживаться температура, всего на миллиардную долю градуса Кельвина большая абсолютного нуля.

Подобный показатель, как объясняет Томпсон, примерно в 100 миллионов раз меньше, чем типичная температура космического пространства, что сделает внутренности CAL самым холодным местом во Вселенной.

Отсутствие земной гравитации на борту МКС, по мнению ученых, продлит жизнь конденсату в десятки и сотни раз, что позволит физикам дольше изучать его свойства и использовать такие «коллективные атомы» для проведения простейших квантовых расчетов и экспериментов. Томпсон ожидает, что в космосе конденсат Бозе-Эйнштейна проживет как минимум 5-10 секунд, а в будущем, когда на борт МКС будут отправлены новые версии CAL, этот показатель будет увеличен в сотни раз.

Помимо фундаментальной науки, такие опыты, как отмечает НАСА, помогут создать более точные атомные часы, приблизиться к созданию квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков, работающих на базе квантовых эффектов.

Читать ещё •••  Ещё 11 источников 

В бозе-эйнштейновском конденсате создали звуковую черную дыру

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Израильским ученым из Технологического института Хайфы впервые удалось в бозе-эйнштейновском конденсате атомов рубидия создать аналог гравитационной черной дыры — акустическую черную дыру. У этой дыры, также как и у настоящей черной дыры, существует горизонт событий, в пределах которого звуковые колебания не могут ее покинуть.

По мнению ученых, создавая звуковые колебания вблизи горизонта событий такого объекта, можно будет зарегистрировать звуковое излучение со своим тепловым спектром, аналогичное излучению Хокинга гравитационной черной дыры.

Если ученым в будущем удастся экспериментально зафиксировать такое акустическое излучение от конденсата, то это будет косвенным доказательством реальности существования излучения Хокинга.

Что такое бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК)?

Явление бозе-эйнштейновской конденсации возникает, когда длина волны де Бройля (отношение постоянной Планка к импульсу частицы) бозонов, то есть частиц с целым значением спина, и характерное расстояние между ними становятся приблизительно одного порядка.

Достигается это при определенной температуре, которую называют критической и которая зависит от концентрации газа и массы образующих его атомов. По достижении критической температуры бозоны резко «падают» или, как еще говорят, конденсируются в состояние с самым низким из допустимых квантовой механикой значением энергии (см.

Java-приложение “Bose-Einstein condensation”), при этом критическая температура конденсации атомарного газа очень близка к абсолютному нулю.

Например, в эксперименте Эрика Корнелла и Карла Вимана 1995 года (в 2001 году за эти исследования ученым была присуждена Нобелевская премия), когда впервые был получен бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) из атомов рубидия 87Rb, температура составляла около 170 нанокельвинов (нК).

БЭК как мини-лаборатория для изучения астрофизических явлений на Земле

Среди многообразия последовавших за открытием бозе-эйнштейновской конденсации экспериментальных и теоретических работ стоит упомянуть о ряде публикаций, в которых утверждалось, что благодаря своим необычным свойствам БЭК может оказаться прекрасной лабораторной моделью для изучения некоторых актуальных и неясных до сих пор астрофизических явлений, таких как вспышки сверхновых звезд или испарение черных дыр. Конечно же, здесь речь идет не о создании с помощью БЭК точной копии черной дыры или вспышки сверхновой в микромасштабе, а лишь о параллели между этими двумя явлениями. Важно то, что с математической точки зрения подходы к описанию данных явлений оказываются очень похожими. А раз теория почти одинаковая, то и экспериментальные результаты должны быть качественно близкими. И то, что астрономы пытаются увидеть в глубинах космоса, — излучение черной дыры, вспышку сверхновой звезды — можно рассмотреть на Земле с помощью БЭК.

Так, в 2001 году в журнале Nature была опубликована статья американских ученых “Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates” о сжатии и последующем взрыве БЭК-атомов рубидия 85Rb (см. также новость Коллапс и взрыв бозе-эйнштейновского конденсата).

Впоследствии такое явление получило название бозе-нова — по зрительной аналогии со сверхновыми звездами.

А летом прошлого года в Архиве препринтов появилась любопытная статья ученых из ЦЕРНа “There is no explosion risk associated with superfluid Helium in the LHC cooling system”, которая опровергала утверждения о возможности «вспышки» бозе-новы в сверхтекучем гелии, использующемся в криогенной системе Большого адронного коллайдера.

Как же используется аналогия между черными дырами в космосе и черными дырами в БЭК? Как известно, черная дыра — это область пространства с настолько сильной гравитацией, что ее пределов не может покинуть даже свет. Она «изолирована» от остального пространства воображаемой границей, которую называют горизонтом событий.

То, что находится внутри горизонта событий, покинуть дыру уже не может. В 70-е годы Хокинг показал, что представление о черных дырах, как об объектах, которые только поглощают и ничего не выпускают, не совсем верно. Такие астрономические объекты могут излучать, и это излучение приводит к их испарению, то есть к уменьшению массы.

Механизм явления таков: у горизонта событий черной дыры флуктуации вакуума порождают пару частиц — одна с отрицательной, другая с положительной энергией (например, два фотона), — которая из-за сильной гравитации не успеет аннигилировать.

Частица с отрицательной энергией может оказаться немного ниже горизонта событий, и поэтому поглотится черной дырой, а частица с положительной энергией, которая находится над горизонтом событий, может улететь прочь.

Поглощая античастицу с отрицательной энергией, черная дыра уменьшает свою энергию, а следовательно, и массу тоже. Выходит, что дыра испаряется, а улетевшие частицы несут информацию об этом в виде излучения, которое получило название излучение Хокинга.

Теория говорит о том, что этому излучению можно сопоставить температуру, а значит, и зарегистрировать его.

Однако дальнейшие расчеты показали, что температура излучения Хокинга меньше — а для некоторых очень массивных черных дыр намного меньше — температуры реликтового фона Вселенной, составляющей приблизительно 2,7 К, поэтому «увидеть» излучение Хокинга — задача очень непростая (если, конечно, оно существует).

Воспроизвести колоссальную гравитацию черной дыры в «домашних», земных, условиях не представляется возможным, поэтому ученые прибегают к БЭК как к лабораторной модели черной дыры, пытаясь обнаружить излучение из конденсата, механизм образования которого схож с процессом возникновения излучения Хокинга. В качестве модели излучения Хокинга физики-теоретики предложили использовать акустическое излучение, которое можно создать в БЭК.

Основная идея заключается в следующем: конденсат — это вещество, в котором, как и в любом другом материале, распространение звука идет с определенной скоростью.

Предположим, что некая область БЭК разгоняется и начинает двигаться со скоростью, превышающей скорость звука в данной среде, при этом остальная часть продолжает свое течение со скоростью, меньшей скорости звука.

Область, которая течет со скоростью больше, чем скорость звука, условно пока что назовем черной дырой, а границу перехода, где скорость движения конденсата в точности равна скорости звука (происходит переход от дозвуковой скорости к сверхзвуковой), так же условно будем считать горизонтом событий.

На этом горизонте событий создается пара фононов — квантов звуковых колебаний, — которые, естественно, движутся со скоростью звука в БЭК.

Импульс одного из фононов может быть противоположно направлен движению конденсата, поэтому будет захвачен им и не сможет более из него вырваться, поскольку скорость фонона меньше скорости конденсата. А второй фонон, в соответствии с законом сохранения импульса, движется в противоположном направлении, улетая от конденсата. Этот улетевший фонон образует в итоге фононное, или акустическое, излучение, которое тоже имеет определенный тепловой спектр или температуру.

Аналогия с истинной черной дырой очевидна: участок БЭК, который движется со сверхзвуковой скоростью и не выпускает фононы, соответствует гравитационной черной дыре, которая не выпускает фотоны; рождающиеся фононы в области БЭК, где скорость его течения равна скорости звука в нём, — это фотоны, образующиеся на горизонте событий настоящей черной дыры. Таким образом, в конденсате может образоваться пусть и не настоящая черная дыра, но ее звуковой аналог — акустическая черная дыра, которая не выпускает звук (фононы) в пределах своего горизонта событий.

Экспериментальная реализация в БЭК акустической черной дыры

Израильские ученые из Технологического института Хайфы сделали первый шаг к практической реализации в БЭК вышеописанных акустических черных дыр. Препринт статьи “A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate” доступен в Архиве.

Основные трудности, которые успешно преодолели израильские исследователи, состояли в том, чтобы не только разогнать конденсат атомов рубидия до скорости, которая превышает звуковую в данной среде, но и сделать его протекание бездиссипативным (без трения), а скорость движения неоднородной.

Всё это израильским ученым удалось осуществить с помощью механизма, который они назвали инверсия плотности. В слабо изменяющемся во времени магнитном поле (магнитной ловушке) генерируется течение конденсата из 100 тыс. атомов 87Rb.

В магнитной ловушке с помощью лазера создается глубокая энергетическая яма (рис. 1). Часть конденсата, которая движется вначале с дозвуковой скоростью, как бы проваливается в эту яму, разгоняется и достигает сверхзвуковой скорости.

Область конденсата, в которой скорость его движения равна скорости звука в нём, — это воображаемый горизонт событий.

Поскольку конденсат находится не в наинизшем состоянии, которое соответствует здесь дну энергетической ямы, то из-за квантовомеханических законов он не может остаться «жить» на ее дне. БЭК «выталкивается» из нее и продолжает течение со скоростью, которая была до его попадания в яму.

Ну а теперь перейдем к результатам, которые получили авторы исследования.

На рисунке 2a приведены графики распределения концентрации (или плотности, что в данном контексте одно и тоже) БЭК при его протекании через энергетическую яму в разные моменты времени.

Время отcчитывается с момента, когда концентрация атомов имела вид, показанный синей кривой. Начало координат здесь соответствует минимуму (дну) энергетической ямы. Конденсат движется в отрицательном направлении оси x.

Как и ожидалось, в окрестности нулевой координаты (дно энергетической ямы) наблюдается минимум плотности конденсата.

Скорость движения каждого участка конденсата в разные моменты времени показана на рисунке 2b. Максимум скорости течения БЭК находится на дне энергетической ямы (координата x = 0). Черная кривая — это скорость звука в текущем БЭК.

Она непостоянна, так как скорость звука зависит от плотности вещества, а концентрация, как мы уже увидели из графиков на рисунке 2a, не является постоянной величиной.

Точки пересечения черной кривой с остальными кривыми (показаны черными кружками) являются горизонтами событий черной дыры. В этот момент и в этом месте конденсата скорость его течения равна скорости звука в нём.

С экспериментальной точки зрения в этом месте конденсата и в этот момент времени нужно возбуждать пару фононов, чтобы зарегистрировать акустическое излучение, аналогичное излучению Хокинга.

К сожалению, израильские ученые не занимались возбуждением фононов на горизонте событий акустической черной дыры, а поэтому, естественно, никакого акустического излучения от БЭК не наблюдали.

Они лишь рассчитали ожидаемую температуру фононного излучения в разные моменты времени движения БЭК. Оказалось, что температура излучения должна находиться в окрестности 0,2–0,3 нК (рис. 2c).

В принципе, на данный момент столь низкие температуры технически достижимы, но получить их очень сложно.

В 2000 году группе финских ученых, занимающихся исследованиями магнетизма и сверхпроводимости в родии, удалось создать температуру 0,1 нК, затратив на ее достижение 20 лет исследований (см. пресс-релиз лаборатории низких температур Технологического университета Хельсинки). В настоящее время это самая низкая температура, созданная на Земле.

По мнению авторов, увеличение на порядок скоростей звука в БЭК и скорости его движения позволит увеличить на порядок температуру фононного излучения Хокинга, переведя ее в диапазон 2–7 нК, что существенно облегчит задачу экспериментаторов по обнаружению данного явления.

Источник: O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer. A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate // arXiv:0906.1337 (7 Jun 2009).

Юрий Ерин

Ученые впервые получили конденсат Бозе-Эйнштейна в космосе

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Физики из Аэрокосмического центра Германии (DLR) рассказали об успешном запуске эксперимента MAIUS 1 в космос, в рамках которого ученые впервые в истории получили конденсат Бозе-Эйнштейна в условиях невесомости, сообщает пресс-служба DLR.

«Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется, если охладить газ до почти абсолютного нуля. Мы рады тому, что нам удалось показать, что MAIUS 1 смог выработать его в космосе. За шесть минут, когда зонд находится в невесомости, мы смогли провести около 100 экспериментов, посвященных исследованию волновых свойств материи», — заявил Райнер Форке (Reiner Forke), участник проекта из DLR.

Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой необычную по своим свойствам форму материи, похожую на газ и жидкость, которая ведет себя как один атом и обладает типичными «атомными» свойствами.

Это, как рассказывают ученые, позволяет легко манипулировать свойствами подобных искусственных «атомов» и использовать их в качестве кубитов, ячеек квантовых компьютеров, и прототипа сверхпроводниковых структур.

Физиков давно интересовало, как подобные коллективные «атомы» ведут себя в космосе, однако проверка их идей была затруднена тем, что установка, способная охладить атомы щелочных металлов для их превращения в конденсат Бозе-Эйнштейна, занимала несколько зданий. Немецкие инженеры решили эту проблему, создав миниатюрную ловушку-чип для атомов MAIUS 1 и отправив ее в космос на борту геодезической ракеты с космодрома Эсрейндж в Швеции.

В этом чипе присутствует два типа охлаждающих устройств — лазеры, подавляющие вибрации атомов и заставляющие их охлаждаться, и магнитная ловушка, отбрасывающая самые «горячие» атомы и оставляющая внутри себя только самые холодные и неподвижные частицы. Результаты опытов, проведенных в невесомости, помогут физикам и инженерам миниатюризировать другие квантовые приборы и научиться интегрировать их в спутники.

В рамках двух последующих миссий MAIUS, запуск которых намечен на 2018 и 2019 года, немецкие ученые планируют не только продолжить изучение свойств конденсата Бозе-Эйнштейна, но и попытаются проверить теорию относительности Эйнштейна, в частности, так называемый принцип эквивалентности, сравнивая скорости падения двух искусственных атомов, собранных из атомов рубидия и калия.

Помимо DLR, схожий проект планирует осуществить в этом году НАСА — в июне на МКС будет отправлен инструмент CAL, в котором так же будет формироваться конденсат Бозе-Эйнштейна.

Исследователи сообщают о создании ридберговских поляронов

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Электрон (синий) движется вокруг ядра атома (красный) – и его орбита охватывает многие другие атомы бозе-эйнштейновского конденсата (зеленый).Изображение: TU Wien

Что находится внутри атома между ядром и электроном? Обычно там ничего нет, но почему там не могут быть другие частицы?

Если электрон вращается вокруг ядра на большом расстоянии, между другими атомами имеется много пространства. Можно было бы создать «гигантский атом», заполненный обычными атомами. Все эти атомы образуют слабую связь, создавая новое экзотическое состояние вещества при низких температурах, называемое ридберговскими поляронами.

В настоящее время группа исследователей представила это состояние в журнале Physical Review Letters. Теоретическая работа была проведена в Вене и Гарвардском университете, эксперимент был проведен в Университете Райса в Хьюстоне.

В этом исследовательском проекте объединены два специальных поля атомной физики, которые могут быть изучены только в экстремальных условиях: конденсаты Бозе-Эйнштейна и ридберговские атомы.

Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой состояние вещества, создаваемого атомами при ультрахолодных температурах, близких к абсолютному нулю.

Ридберговскими атомами являются те, в которых один единственный электрон поднимается в высоковозбужденное состояние и вращается вокруг ядра на очень большом расстоянии.

«Среднее расстояние между электроном и ядром может достигать нескольких сотен нанометров, то есть превышает более чем в тысячу раз радиус  атома водорода», — говорит профессор Йоахим Бурджорфер. Вместе с профессором Шухеи Йошида (оба из TU Wien, Вена) он изучает свойства таких ридберговских атомов в течение многих лет.

  Вселенные без слабой ядерной силы могут иметь звезды и жизнь

Конденсат Бозе-Эйнштейна был создан атомами стронция. Используя лазер, энергия была перенесена на один из этих атомов, превратив его в ридберговский атом с огромным атомным радиусом.

Радиус орбиты, в которой электрон движется вокруг ядра, намного больше, чем типичное расстояние между двумя атомами в таком конденсате. Поэтому электрон вращается вокруг своего собственного атомного ядра, а многие другие атомы тоже находятся внутри его орбиты.

В зависимости от радиуса ридберговского атома и плотности бозе-эйнштейновского конденсата до 170 дополнительных атомов стронция могут быть заключены в огромную электронную орбиту.

Эти атомы оказывают минимальное влияние на путь электрона Ридберга. «Атомы не несут никакого электрического заряда, поэтому они лишь оказывают минимальную силу на электрон», — говорит Шухеи Йошида.

Но в очень малой степени электрон все еще находится под влиянием присутствия нейтральных атомов вдоль его пути. Он рассеивается на нейтральных атомах, но только очень слабо, не покидая орбиты.

Квантовая физика медленных электронов допускает такой вид рассеяния, который не переносит электрон в другое состояние.

Как показывает компьютерное моделирование, этот сравнительно слабый вид взаимодействия уменьшает полную энергию системы, и создается связь между ридберговским атомом и другими атомами внутри электронной орбиты. «Это очень необычная ситуация, — говорит Шухеи Йошида. «Обычно мы имеем дело с заряженными ядрами, связывающими электроны вокруг них. Здесь мы имеем нейтральные электроны и нейтральные атомы».

  Поиск порядка в беспорядке демонстрирует новое состояние материи

Эта связь намного слабее, чем связь между атомами в кристалле. Поэтому это экзотическое состояние материи, называемое ридберговскими поляронами, может быть обнаружено только при очень низких температурах. Если бы частицы двигались быстрее, связь бы ломалась.

«Для нас это новое слабосвязанное состояние материи — это захватывающая новая возможность исследования физики ультрахолодных атомов», — говорит Йоахим Бургдорфер.

«Таким образом, с очень высокой точностью можно исследовать свойства конденсата Бозе-Эйнштейна на очень малых масштабах».

Больше информации: F. Camargo et al, Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.083401 

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Бозе – Эйнштейна конденсация – «Энциклопедия»

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

БОЗЕ – ЭЙНШТЕЙНА КОНДЕНСАЦИЯ (бозе-конденсация), квантовое явление, состоящее в том, что в системе из большого числа частиц, подчиняющихся Бозе – Эйнштейна статистике (бозе-газ или бозе-жидкость), при температурах ниже вырождения температуры конечная доля всех частиц системы оказывается в состояниях с нулевым импульсом.

Термин «Бозе-Эйнштейна конденсация» возник по аналогии с понятием конденсации газа в жидкость, хотя эти явления совершенно различны, так как Бозе-Эйнштейна конденсация происходит в пространстве импульсов, а распределение частиц в координатном пространстве не меняется. Теория Бозе-Эйнштейна конденсации построена А. Эйнштейном в 1925 году и развита Ф.

Лондоном в 1938 году.

Поскольку Бозе-Эйнштейна конденсация происходит даже в идеальном бозе-газе, её причиной являются не взаимодействия между частицами, а свойства симметрии волновой функции, описывающей систему частиц.

Для идеального бозе-газа из Бозе — Эйнштейна распределения по импульсам р следует, что в нижнем энергетическом состоянии с р = 0 при температуре Т находится N0= [ехp(-μ/kT) – 1]-1 частиц (μ – химический потенциал, k – постоянная Больцмана).

Ниже температуры вырождения Т0 в конденсате находится N0 = N[1 – (Т/Т0)3/2] частиц (где N – полное число частиц), а остальные подчиняются распределению Бозе – Эйнштейна с μ = 0. При Т = 0 все частицы идеального бозе-газа находятся в конденсате.

Реклама

В неидеальном газе явление Бозе-Эйнштейна конденсации сохраняется, но межчастичное взаимодействие существенно снижает число частиц в конденсате, так что даже при Т = 0 значительное число частиц остаётся в состояниях с ненулевыми импульсами.

Для подавляющего большинства газов температура вырождения очень мала, и вещество переходит в твёрдое состояние гораздо раньше, чем может наступить Бозе-Эйнштейна конденсация. Исключение составляет гелий, который в нормальных условиях при Т = 4,2 К переходит в жидкое состояние и остаётся жидкостью вплоть до самых близких к абсолютному нулю температур.

Сверхпроводимость можно рассматривать как следствие Бозе-Эйнштейна конденсации коррелированных куперовских пар электронов с противоположно направленными импульсами и спинами.

В 1990-х годах Бозе-Эйнштейна конденсация наблюдалась в опытах с парами щелочных металлов (лития, цезия и т.п.), атомы которых представляют собой бозоны (Э. Корнелл, В. Кеттерле, К. Уайман; Нобелевская премия, 2001), а в 2003 году она осуществлена на «двойках» фермионов, которые посредством воздействия внешнего магнитного поля образуют бозон.

Лит.: Хуанг К. Статистическая механика. М., 1966; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Статистическая физика. 2-е изд. М., 2000.

А. Г. Башкиров.

Физики увидели лягушек и грибы в конденсате Бозе-Эйнштейна

Конденсат бозе — эйнштейна – все о космосе

Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev. A

Физики из США, Китая и Японии численно исследовали поведение конденсата Бозе-Эйнштейна, состоящего из двух компонент с противоположно направленными дипольными моментами и сильным диполь-дипольным взаимодействием.

Оказалось, что такая система нестабильна, и в ней возникают причудливые структуры, напоминающие лягушек или грибы. Кроме того, ученые теоретически обосновали такое поведение конденсата.

в Physical Review A, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы можно найти на сайте arXiv.org.

Если зажать вязкую жидкость между двумя близко расположенными плоскостями и впрыснуть в нее менее вязкую жидкость, можно увидеть, как жидкости переплетаются и образуют причудливые протяженные структуры.

Такие структуры называют вязкими пальцами (viscous fingering), или нестабильностями Саффмана-Тейлора (Saffman-Taylor instability). Похожие эффекты возникают при извержениях вулканов, взрывах сверхновых, в различных биологических системах, а также в магнитных жидкостях.

Интересно, что вязкие пальцы довольно легко получить — например, в качестве жидкостей можно взять глицерин и воду. Подробнее про этот эффект рассказывается в этой заметке.

Группа из трех физиков под руководством Хироки Саито (Hiroki Saito) из Токийского университета электросвязи показала, что похожие на вязкие пальцы структуры возникают в смеси двух бозе-эйнштейновских конденсатов с противоположно направленными дипольными моментами и сильным диполь-дипольным взаимодействием. Для этого они численно смоделировали конденсаты и посмотрели, как система изменяется со временем. Конденсат Бозе-Эйнштейна — это особая фаза, в которую переходит газ бозонов (частиц с единичным спином) при низких температурах. Все образующие такой конденсат частицы одновременно находятся в одном и том же квантовом состоянии с наименьшей возможной энергией, а потому их квантовые свойства начинают проявляться на макроскопических масштабах. О причинах такого поведения можно прочитать в статье «Квантовые газы при низких температурах».

Поскольку взаимодействием двух компонент бозе-конденсата в рассмотренной физиками системе пренебречь нельзя, волновая функция каждой из компонент подчиняется уравнению Гросса-Питаевского. Собственно, именно это уравнение ученые численно исследовали в своей статье.

Для этого они использовали псевдоспектральный метод — то есть сводили дифференциальное уравнение к алгебраическому (которое исследовать гораздо проще) с помощью быстрого преобразования Фурье, находили его решение, а потом возвращались к исходным волновым функциям.

В качестве начальных условий исследователи помещали диск одной компоненты в симметричное кольцо другой компоненты.

Эволюция со временем системы при γ = 0,18 — «лягушка» Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev. AЭволюция со временем системы при γ = 1 — «грибы» Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev. AВ результате оказалось, что сильное диполь-дипольное взаимодействие между компонентами приводит к нестабильности системы, и в ней образуются сложные структуры, напоминающие вязкие пальцы.

Кроме того, в системе происходит спонтанное нарушение вращательной симметрии — проще говоря, она больше не переходит сама в себя во время поворота на произвольный угол.

При этом форма возникающих структур существенно зависит от величины взаимодействия, которое определятся параметром γ (в реальной жизни его можно контролировать, быстро поворачивая приложенное к системе магнитное поле).

Так, при γ = 0,18 структуры напоминают лягушку, при γ = 1 — грибы, а при γ = 0 система остается симметричной, поскольку взаимодействия между компонентами фактически выключено.Эволюция со временем системы при γ = 0,18 — «лягушка» Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev. AЭволюция со временем системы при γ = 1 — «грибы» Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev.

AЭволюция со временем системы при γ = 0 — отсутствие взаимодействия Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev. AКроме того, ученые выполнили теоретический анализ системы, чтобы лучше понять причины ее нестабильности. Для этого они выписали уравнения Боголюбова-де-Жена и вычислили, как частота боголюбовских возмущений зависит от величины взаимодействия γ.

Оказалось, что при превышении этой величиной определенного порога мнимая часть частоты отличается от нуля, что указывает на динамическую нестабильность системы. Кроме того, замечая, какая мода доминирует для конкретно выбранных значений γ, можно определить число «пальцев» структуры. В целом, результаты теоретического анализа и численных расчетов совпадают.

Зависимость мнимой части частоты от величины взаимодействия для различных мод Kui-Tian Xi et al. / Phys. Rev.

AАвторы статьи предлагают экспериментально реализовать рассмотренную ими систему, взяв в качестве бозонов 7S3 состояния (то есть орбитальное число l = 0, магнитное число m = 3) атомов хрома-52 со значениями спинового квантового числа mj = +3 и mj = −3, пойманных в резонансе Фешбаха. Впрочем, такие же эффекты должны наблюдаться и в других бозе-конденсатах, атомы которых обладают равными и противоположными дипольными моментами.

В ноябре прошлого года ученые из университета Чикаго увидели другой красивый эффект, который возникает в конденсате Бозе-Эйнштейна: если приложить к конденсату внешнее переменное магнитное поле, он рассыпается, напоминая взрыв фейерверка.

Дмитрий Трунин

Adblock
detector