Достижения теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна

А все началось в 1924 г., с исследований индийского физика Ш.Бозе. В своей работе он построил статистическую механику для частиц света – фотонов. Бозе послал свои результаты Эйнштейну, а тот взял, да и расширил эту теорию на обладающие массой атомы определенного типа.



Эйнштейн предсказал, что если газ из таких атомов будет охлажден до очень низкой температуры, все атомы внезапно окажутся в состоянии с наименьшей возможной энергией, т.е. перейдут (или по-другому - сконденсируются) в наинизшее возможное квантовое состояние. Процесс похож на образование капель жидкости из газа, поэтому он и был назван конденсацией, результатом которой должна возникнуть новая форма вещества, которое будет являться в то же время и волной, как и любая элементарная частица.





Итак, совместными усилиями Бозе и Эйнштейн предсказали новое, пятое по счету, агрегатное состояние материи, основу которой составляют атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (несколько стомиллионных долей градуса выше абсолютного нуля). Данное состояние характеризуется тем, что все атомы двигаются согласованно, они формируют одну квантово-механическую волну. В отличие от обычного газа, где частицы двигаются по всем направлениям случайно (обычное тепловое движение), в конденсате Бозе-Эйнштейна практически все атомы оказываются в своих минимально возможных квантовых состояниях, ведут себя как одна большая квантовая волна, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Проще говоря, все атомы теряют свою самостоятельность и начинают вести себя, словно один гигантский атом.



Перед учеными встала задача заставить атомы вещества “петь в унисон”. Это можно сравнить с лазерным лучом, где “поют в унисон” частицы света – в лазере все световые частицы имеют одинаковую энергию и колеблются вместе (излучение когерентно и монохроматично).

Как вы наверно уже поняли, главная проблема заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения вещества – всего до нескольких стомиллионных долей градуса превышающего абсолютный нуль – это более чем в миллион раз ниже температуры межзвездного пространства! Для достижения таких температур обычные холодильники, конечно, не годятся. И даже турбодетандеры, сжижающие гелий, азот и другие газы, не помогут.

И вот, спустя целых 70 лет после исследований великих ученых, в 1995 г. в Объединенном институте лабораторной астрофизики американцами Эриком Корнеллом и Карлом Вейманом был получен первый конденсат Бозе-Эйнштейна. Они получили чистый конденсат из около 2000 атомов рубидия при температуре 20 нанокельвинов, т.е. 0,00000002 градуса выше абсолютного нуля!

Узнав об этом событии, немец Вольфганг Кеттерле, также работающий в США (Массачусетский технологический институт), очень разочаровался. Ведь он тоже проводил собственные эксперименты по получению причудливого конденсата! Но он в своих опытах использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата, причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем американцам!

За эти исследования троим ученым в 2001 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Кроме того, Кеттерле на основе конденсата Бозе-Эйнштейна решил построить атомный лазер. Но об этом ниже.

Так как же ученым удалось получить новую форму вещества? В своих опытах они решили использовать комбинации двух методов глубокого охлаждения, разработанных относительно недавно: лазерного охлаждения и охлаждения испарением.



Экспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедляли их движение, заставляя продираться сквозь густосплетение множества лазерных лучей. А далее, опять же лазерным лучом, отгоняли самые быстрые горячие атомы, пока не осталось сколько-то окончательно замерзших, обездвиженных. Полученный таким образом конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из 2000 атомов рубидия. Причем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль.

Как уже говорилось, Кеттерле на основе конденсата Бозе-Эйнштейна решил построить атомный лазер. И он создал его в 1996 году. Выше указывалось, что обычный лазер испускает когерентное излучение, т.е. все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы - как раз такие, что составляют конденсат Бозе - Эйнштейна, - можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.



Вот принципиальная схема атомного лазера. Сначала конденсат Б-Э удерживается магнитной ловушкой (а). У всех атомов при этом электронные спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление "вверх"). Затем короткий импульс высокочастотного излучения "наклоняет" спины атомов (b). Согласно принципам квантовой механики, "наклоненный" спин является суперпозицией (смесью) состояний "спин-вверх" и "спин-вниз". Атомы со спином "вниз" тут же выталкиваются магнитным полем. Атомная "капля" "жидкого света" выводится из магнитной ловушки (с) и затем расширяется, устремляясь к цели (d).



А вот здесь наблюдается когерентность конденсата Б-Э. В магнитной ловушке создается "атомный снежок" сигароподобной формы (а). С помощью лазерного луча конденсат разрезается на две части (b). Затем магнитное силовое поле отключается, и обе половинки падают вниз, постепенно "наезжая" друг на друга. В области перекрытия возникает четкая интерференционная картина (с), которая наблюдается на экране с помощью оптического лазера (d).

Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение. Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель "жидкого света". Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще в то время, когда в Америке началась разработка программы "Звездные войны". Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен такой лазер не только мощностью. Как предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли.

А совсем недавно в Институте квантовой оптики имени М. Планка был создан микрочип величиной в почтовую марку. Он заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Вероятно, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколения с невиданными ранее возможностями по быстродействию.