Bose–Einsteinov kondenzat

Boze-Ajnštajnov kondenzat (engl. BAC) se smatra petim agregatnim stanjem supstancije, pored tečnosti, gasova, čvrstog stanja i plazme. Boze-Ajnštajnov kondenzat se dobija hlađenjem vrlo razređenog gasa bozonskih čestica do temperature koja je veoma bliska apsolutnoj nuli (-273,15 °C odnosno 0K).

Shematični prikaz Boze-Ajnštajnove kondenzacije

Boze-Ajnštajnov kondenzat su teorijski predvideli Satjendra Boze i Albert Ajnštan oko 1924/25. godine, a prvi takav sistem je eksperimentalno pronađen u razređenim gasovima alkalnih atoma 1995. godine, za šta su fizičari Erik Kornel, Volfgang Keterle i Karl Viman dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2001. godine.^[1]

Opis uredi

Boze-Ajnštajnov kondenzat nastaje hlađenjem gasa izuzetno niske gustine (oko sto hiljaditog dela gustine normalnog vazduha) do veoma niskih temperatura bliskih temperaturi apsolutne nule. Smanjenjem temperature atoma, smanjuje se njihova kinetička energija. Na temperaturi apsolutne nule, njima ne preostaje baš nikakva energija za kretanje i oni mogu da zauzimaju samo najniže energetsko kvantno stanje. Za razliku od fermiona koji moraju da zadovoljavaju Paulijev princip isključenja, taj princip se ne odnosi na bozonske čestice (kao što su atomi, fotoni, itd.), te će se na temperaturi apsolutne nule svi bozoni naći u potpuno istom kvantnom stanju, gde će se tretirati kao apsolutno nerazlučive identične čestice u skladu sa Boze-Ajnštajnovom statistikom koju bozoni kao čestice zadovoljavaju. Pošto će se veliki broj bozona naći u potpuno istom kvantnom stanju, sistem će ispoljiti makroskopske efekte.

Usled jedinstvene osobine kondenzata, Len Hau pokazala je da svetlost može biti zaustavljena ili značajno usporena od 17 metara u sekundi, što dovodi do izuzetno viskokog indeksa prelamanja.^[2]

Istorija uredi

Podaci o raspodeli brzine (3 prikaza) gasa atoma rubidijuma, čime se potvrđuje otkriće nove faze materije, Boze–Ajnštajnovog kondenzata. Levo: neposredno pre pojave Boze–Ajnštajnovog kondenzata. Centar: neposredno nakon pojave kondenzata. Desno: nakon daljeg isparavanja, ostavljajući uzorak skoro čistog kondenzata.

Boze je prvi formulisao ideju o svetlosnom kvantu, koji se sada zove foton, tako što je izveo Plankov zakon kvantne radijacije bez korišćenja klasične fizike, a nakon toga tu ideju preuzima i Ajnštajn. Ajnštajn je bio impresioniran, preveo je Bozeov rad sa engleskog na nemački jezik i objavio ga u časopisu Zeitschrift für Physik 1924. godine.^[3] (Verovalo se da je Ajnštajnov rukopis bio izgubljen, ali je pronađen u biblioteci Lajdenskog univerziteta 2005. godine.)^[4] Ajnštajn je zatim proširio Bozeove ideje na materiju u dva druga članka.^[5]^[6] Rezultat njihovih napora je koncept Bozeovog gasa, u kome važi Boze-Ajnštajnova statistika, kojom se opisuje statistička distribucija identičnih čestica sa celobrojnim spinom, sada zvanim bozoni. Bozonima, koji obuhvataju foton, kao i atome kao što je helijum-4 (Šablon:SimpleNuclide), dozvoljeno je da dele kvantno stanje. Ajnštajn je predložio da bi hlađenje bosonskih atoma na veoma nisku temperaturu prouzrokovalo da padnu (ili da se „kondenzuju”) u najniže dostupno kvantno stanje, što dovodi do novog oblika materije.

Godine 1938. Fric London predložio je Boze-Ajnštajnov kondenzat kao mehanizam superfluidnosti za ⁴He i za superprovodnost.^[7]^[8]

Dana 5. juna 1995. godine, prvi gasoviti kondenzat su proizveli Erik Kornel i Karl Viman na Univerzitetu Kolorada u Bolderu u laboratoriji NIST–JILA, u gasu atoma rubidijuma ohlađenog na 170 nanokelvina (nK).^[9] Ubrzo nakon toga, Volfgang Keterle sa MIT je demonstrirao važna svojstva kondenzata. Za njihova dostignuća Kornel, Viman i Keterle su dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2001. godine.^[10]

Mnogi izotopi su uskoro kondenzovani, zatim molekuli, kvazi-čestice i fotoni 2010. godine.^[11]

Vidi još uredi

Boze-Ajnštajnova statistika

Reference uredi

↑ „Boze-Ajnštajnov kondenzat”. 2018.
↑ „Lene Hau”. www.physicscentral.com. Pristupljeno 1. 1. 2017.
↑ S. N. Bose (1924). „Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”. Zeitschrift für Physik 26 (1): 178–181. Bibcode 1924ZPhy...26..178B. DOI:10.1007/BF01327326.
↑ „Leiden University Einstein archive”. Lorentz.leidenuniv.nl. 1920. Pristupljeno 23. 3. 2011.
↑ A. Einstein (1925). „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften 1: 3.
↑ Clark, Ronald W. (1971). Einstein: The Life and Times. Avon Books. str. 408–409. ISBN 978-0-380-01159-9.
↑ London, Fritz (1938). „The λ-Phenomenon of liquid Helium and the Bose–Einstein degeneracy”. Nature 141 (3571): 643–644. Bibcode 1938Natur.141..643L. DOI:10.1038/141643a0.
↑ London, F. Superfluids Vol.I and II, (reprinted New York: Dover 1964)
↑ Bose-Einstein Condensate: A New Form of Matter, NIST, 9 October 2001
↑ Levi, Barbara Goss (2001). „Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose–Einstein Condensates”. Search & Discovery. Physics Today online. Arhivirano iz originala na datum 24. 10. 2007. Pristupljeno 26. 1. 2008.
↑ J. Klaers; J. Schmitt; F. Vewinger & M. Weitz. „Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity/year 2010”. Nature 468 (7323): 545–548. arXiv:1007.4088. Bibcode 2010Natur.468..545K. DOI:10.1038/nature09567. PMID 21107426.

Literatura uredi

S. N. Bose (1924). „Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”. Zeitschrift für Physik 26 (1): 178–181. Bibcode 1924ZPhy...26..178B. DOI:10.1007/BF01327326.
A. Einstein (1925). „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften 1: 3. ,
L. D. Landau (1941). „The theory of Superfluity of Helium 111”. J. Phys. USSR 5: 71–90.
L. D. Landau (1941). „Theory of the Superfluidity of Helium II”. Physical Review 60 (4): 356–358. Bibcode 1941PhRv...60..356L. DOI:10.1103/PhysRev.60.356.
M. H. Anderson; J. R. Ensher; M. R. Matthews; C. E. Wieman & E. A. Cornell (1995). „Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor”. Science 269 (5221): 198–201. Bibcode 1995Sci...269..198A. DOI:10.1126/science.269.5221.198. JSTOR 2888436. PMID 17789847.
C. Barcelo; S. Liberati & M. Visser (2001). „Analogue gravity from Bose–Einstein condensates”. Classical and Quantum Gravity 18 (6): 1137–1156. arXiv:gr-qc/0011026. Bibcode 2001CQGra..18.1137B. DOI:10.1088/0264-9381/18/6/312.
P. G. Kevrekidis; R. Carretero-González; D. J. Frantzeskakis & I. G. Kevrekidis (2004). „Vortices in Bose–Einstein Condensates: Some Recent Developments”. Mod. Phys. Lett. B 18 (30): 1481–1505. arXiv:cond-mat/0501030. Bibcode 2004MPLB...18.1481K. DOI:10.1142/S0217984904007967.
K.B. Davis; M.-O. Mewes; M.R. Andrews; N.J. van Druten; D.S. Durfee; D.M. Kurn & W. Ketterle (1995). „Bose–Einstein condensation in a gas of sodium atoms”. Phys. Rev. Lett. 75 (22): 3969–3973. Bibcode 1995PhRvL..75.3969D. DOI:10.1103/PhysRevLett.75.3969. PMID 10059782. Arhivirano iz originala na datum 2019-04-01. Pristupljeno 2020-07-31. .
D. S. Jin; J. R. Ensher; M. R. Matthews; C. E. Wieman & E. A. Cornell (1996). „Collective Excitations of a Bose–Einstein Condensate in a Dilute Gas”. Phys. Rev. Lett. 77 (3): 420–423. Bibcode 1996PhRvL..77..420J. DOI:10.1103/PhysRevLett.77.420. PMID 10062808.
M. R. Andrews; C. G. Townsend; H.-J. Miesner; D. S. Durfee; D. M. Kurn & W. Ketterle (1997). „Observation of interference between two Bose condensates”. Science 275 (5300): 637–641. DOI:10.1126/science.275.5300.637. PMID 9005843. Arhivirano iz originala na datum 12. 10. 2000. Pristupljeno 26. 10. 2017. .
E. A. Cornell & C. E. Wieman (1998). „The Bose–Einstein condensate”. Scientific American 278 (3): 40–45. Bibcode 1998SciAm.278c..40C. DOI:10.1038/scientificamerican0398-40.
M. R. Matthews; B. P. Anderson; P. C. Haljan; D. S. Hall; C. E. Wieman & E. A. Cornell (1999). „Vortices in a Bose–Einstein condensate”. Phys. Rev. Lett. 83 (13): 2498–2501. arXiv:cond-mat/9908209. Bibcode 1999PhRvL..83.2498M. DOI:10.1103/PhysRevLett.83.2498.
E. A. Donley; N. R. Claussen; S. L. Cornish; J. L. Roberts; E. A. Cornell & C. E. Wieman (2001). „Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates”. Nature 412 (6844): 295–299. arXiv:cond-mat/0105019. Bibcode 2001Natur.412..295D. DOI:10.1038/35085500. PMID 11460153.
A. G. Truscott; K. E. Strecker; W. I. McAlexander; G. B. Partridge & R. G. Hulet (2001). „Observation of Fermi Pressure in a Gas of Trapped Atoms”. Science 291 (5513): 2570–2572. Bibcode 2001Sci...291.2570T. DOI:10.1126/science.1059318. PMID 11283362.
M. Greiner; O. Mandel; T. Esslinger; T. W. Hänsch & I. Bloch (2002). „Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms”. Nature 415 (6867): 39–44. Bibcode 2002Natur.415...39G. DOI:10.1038/415039a. PMID 11780110. .
S. Jochim; M. Bartenstein; A. Altmeyer; G. Hendl; S. Riedl; C. Chin; J. Hecker Denschlag & R. Grimm (2003). „Bose–Einstein Condensation of Molecules”. Science 302 (5653): 2101–2103. Bibcode 2003Sci...302.2101J. DOI:10.1126/science.1093280. PMID 14615548.
M. Greiner; C. A. Regal & D. S. Jin (2003). „Emergence of a molecular Bose−Einstein condensate from a Fermi gas”. Nature 426 (6966): 537–540. Bibcode 2003Natur.426..537G. DOI:10.1038/nature02199. PMID 14647340.
M. W. Zwierlein; C. A. Stan; C. H. Schunck; S. M. F. Raupach; S. Gupta; Z. Hadzibabic & W. Ketterle (2003). „Observation of Bose–Einstein Condensation of Molecules”. Phys. Rev. Lett. 91 (25): 250401. arXiv:cond-mat/0311617. Bibcode 2003PhRvL..91y0401Z. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.250401. PMID 14754098.
C. A. Regal; M. Greiner & D. S. Jin (2004). „Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs”. Phys. Rev. Lett. 92 (4): 040403. arXiv:cond-mat/0401554. Bibcode 2004PhRvL..92d0403R. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.040403. PMID 14995356.
C. J. Pethick and H. Smith, Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
Lev P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose–Einstein Condensation, Clarendon Press, Oxford, 2003.
M. Mackie; K. A. Suominen & J. Javanainen (2002). „Mean-field theory of Feshbach-resonant interactions in 85Rb condensates”. Phys. Rev. Lett. 89 (18): 180403. arXiv:cond-mat/0205535. Bibcode 2002PhRvL..89r0403M. DOI:10.1103/PhysRevLett.89.180403. PMID 12398586.

Spoljašnje veze uredi

Bose–Einstein Condensation 2009 Conference Bose–Einstein Condensation 2009 – Frontiers in Quantum Gases
BEC Homepage General introduction to Bose–Einstein condensation
Nobel Prize in Physics 2001 – for the achievement of Bose–Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates
Physics Today: Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose–Einstein Condensates
Bose–Einstein condensates at JILA Arhivirano 2014-04-17 na Wayback Machine-u
Atomcool at Rice University
Alkali Quantum Gases at MIT
Atom Optics at UQ
Einstein's manuscript on the Bose–Einstein condensate discovered at Leiden University
Bose–Einstein condensate on arxiv.org
Bosons – The Birds That Flock and Sing Together
Easy BEC machine Arhivirano 2014-02-24 na Wayback Machine-u – information on constructing a Bose–Einstein condensate machine.
Verging on absolute zero – Cosmos Online Arhivirano 2008-11-22 na Wayback Machine-u
Lecture by W Ketterle at MIT in 2001 Arhivirano 2020-07-27 na Wayback Machine-u
Bose–Einstein Condensation at NIST – NIST resource on BEC

[1] „Boze-Ajnštajnov kondenzat”. 2018.

[2] „Lene Hau”. www.physicscentral.com. Pristupljeno 1. 1. 2017.

[3] S. N. Bose (1924). „Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”. Zeitschrift für Physik 26 (1): 178–181. Bibcode 1924ZPhy...26..178B. DOI:10.1007/BF01327326.

[4] „Leiden University Einstein archive”. Lorentz.leidenuniv.nl. 1920. Pristupljeno 23. 3. 2011.

[5] A. Einstein (1925). „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften 1: 3.

[6] Clark, Ronald W. (1971). Einstein: The Life and Times. Avon Books. str. 408–409. ISBN 978-0-380-01159-9.

[London:1938-7] London, Fritz (1938). „The λ-Phenomenon of liquid Helium and the Bose–Einstein degeneracy”. Nature 141 (3571): 643–644. Bibcode 1938Natur.141..643L. DOI:10.1038/141643a0.

[8] London, F. Superfluids Vol.I and II, (reprinted New York: Dover 1964)

[9] Bose-Einstein Condensate: A New Form of Matter, NIST, 9 October 2001

[10] Levi, Barbara Goss (2001). „Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose–Einstein Condensates”. Search & Discovery. Physics Today online. Arhivirano iz originala na datum 24. 10. 2007. Pristupljeno 26. 1. 2008.

[Klaers:2010-11] J. Klaers; J. Schmitt; F. Vewinger & M. Weitz. „Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity/year 2010”. Nature 468 (7323): 545–548. arXiv:1007.4088. Bibcode 2010Natur.468..545K. DOI:10.1038/nature09567. PMID 21107426.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]