Конденса́т Бо́зе — Эйнште́йна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Теоретически предсказан как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. 70 лет спустя, в 1995 году, первый бозе-конденсат был получен в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 5,9 пикокельвин (пК) (5,9·10⁻¹² кельвин). За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Теория

Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.

Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы, определяется формулой

где  — критическая температура,  — концентрация частиц,  — масса,  — постоянная Планка,  — постоянная Больцмана,  — дзета-функция Римана,

Эту формулу можно получить из таких соображений:

Согласно статистике Бозе — Эйнштейна, количество частиц в заданном состоянии i, равняется

где , n_i  — количество частиц в состоянии i, g_i  — вырождение уровня i, ε_i  — энергия состояния i, μ — химический потенциал системы.

Найдём температуры при которой химический потенциал будет равен нулю. Рассмотрим случай свободных частиц —

Практика

• В 1995 году Эрику Корнеллу и Карлу Вимену из Национального института стандартов и технологии США при помощи лазерного охлаждения удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов и экспериментально подтвердить существование конденсата Бозе — Эйнштейна, за что они совместно с Вольфгангом Кеттерле, который четыре месяца спустя получил конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов натрия с использованием принципа удержания атомов в магнитной ловушке, в 2001 г. были удостоены Нобелевской премии по физике^[1].

• До недавнего времени наименьшая официально зарегистрированная скорость света была чуть больше 60 км/ч — сквозь натрий при температуре −272 °C.^[2]. Но в 2000 году группе учёных из Гарвардского университета удалось привести свет к «полной остановке», направив его на конденсат Бозе — Эйнштейна рубидия.^[3][4].

• В 2010 году был впервые получен бозе-эйнштейновский конденсат фотонов^[5][6][7].

Примечания