ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна

јвтор:
kaa
ѕечать
дата:
8 окт€бр€ 2015 07:04
ѕросмотров:
2518
 омментариев:
4
ѕримерно в 1999 г. доктор Ћин ’ау из института –оланда провела эксперимент, о котором сообщалось не только в известном научном журнале ФNatureФ, но также и на первой полосе УЌью-…орк “аймсУ. ¬ эксперименте она (со своей исследовательской группой студентов и сотрудников) пропустила лазерный пучок через новый вид материи, так называемый конденсат Ѕозе-Ёйнштейна, который замедлил данный пучок света до неверо€тно малой скорости, составл€ющей 38 миль в час (примерно 60 километров в час) Ц это одна шестимиллионна€ процента от скорости света в вакууме! Ёто как если бы √алилей бросал пушечные €дра с ѕизанской башни, и они падали бы на землю через два года! »так, знакомимс€ Ц конденсат Ѕозе-Ёйнштейна...

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


ј все началось в 1924 г., с исследований индийского физика Ў.Ѕозе. ¬ своей работе он построил статистическую механику дл€ частиц света Ц фотонов. Ѕозе послал свои результаты Ёйнштейну, а тот вз€л, да и расширил эту теорию на обладающие массой атомы определенного типа.

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


Ёйнштейн предсказал, что если газ из таких атомов будет охлажден до очень низкой температуры, все атомы внезапно окажутс€ в состо€нии с наименьшей возможной энергией, т.е. перейдут (или по-другому - сконденсируютс€) в наинизшее возможное квантовое состо€ние. ѕроцесс похож на образование капель жидкости из газа, поэтому он и был назван конденсацией, результатом которой должна возникнуть нова€ форма вещества, которое будет €вл€тьс€ в то же врем€ и волной, как и люба€ элементарна€ частица.

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


»так, совместными усили€ми Ѕозе и Ёйнштейн предсказали новое, п€тое по счету, агрегатное состо€ние материи, основу которой составл€ют атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (несколько стомиллионных долей градуса выше абсолютного нул€). ƒанное состо€ние характеризуетс€ тем, что все атомы двигаютс€ согласованно, они формируют одну квантово-механическую волну. ¬ отличие от обычного газа, где частицы двигаютс€ по всем направлени€м случайно (обычное тепловое движение), в конденсате Ѕозе-Ёйнштейна практически все атомы оказываютс€ в своих минимально возможных квантовых состо€ни€х, ведут себ€ как одна больша€ квантова€ волна, и квантовые эффекты начинают про€вл€тьс€ на макроскопическом уровне. ѕроще говор€, все атомы тер€ют свою самосто€тельность и начинают вести себ€, словно один гигантский атом.

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


ѕеред учеными встала задача заставить атомы вещества Упеть в унисонФ. Ёто можно сравнить с лазерным лучом, где Упоют в унисонФ частицы света Ц в лазере все световые частицы имеют одинаковую энергию и колеблютс€ вместе (излучение когерентно и монохроматично).

 ак вы наверно уже пон€ли, главна€ проблема заключалась в том, чтобы добитьс€ глубокого охлаждени€ вещества Ц всего до нескольких стомиллионных долей градуса превышающего абсолютный нуль Ц это более чем в миллион раз ниже температуры межзвездного пространства! ƒл€ достижени€ таких температур обычные холодильники, конечно, не год€тс€. » даже турбодетандеры, сжижающие гелий, азот и другие газы, не помогут.

» вот, спуст€ целых 70 лет после исследований великих ученых, в 1995 г. в ќбъединенном институте лабораторной астрофизики американцами Ёриком  орнеллом и  арлом ¬ейманом был получен первый конденсат Ѕозе-Ёйнштейна. ќни получили чистый конденсат из около 2000 атомов рубиди€ при температуре 20 нанокельвинов, т.е. 0,00000002 градуса выше абсолютного нул€!

”знав об этом событии, немец ¬ольфганг  еттерле, также работающий в —Ўј (ћассачусетский технологический институт), очень разочаровалс€. ¬едь он тоже проводил собственные эксперименты по получению причудливого конденсата! Ќо он в своих опытах использовал атомы натри€, а не рубиди€. » спуст€ три мес€ца он тоже добилс€ желаемого результата, причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем американцам!

«а эти исследовани€ троим ученым в 2001 г. была присуждена Ќобелевска€ преми€ по физике.  роме того,  еттерле на основе конденсата Ѕозе-Ёйнштейна решил построить атомный лазер. Ќо об этом ниже.

“ак как же ученым удалось получить новую форму вещества? ¬ своих опытах они решили использовать комбинации двух методов глубокого охлаждени€, разработанных относительно недавно: лазерного охлаждени€ и охлаждени€ испарением.

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


Ёкспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедл€ли их движение, заставл€€ продиратьс€ сквозь густосплетение множества лазерных лучей. ј далее, оп€ть же лазерным лучом, отгон€ли самые быстрые гор€чие атомы, пока не осталось сколько-то окончательно замерзших, обездвиженных. ѕолученный таким образом конденсат представл€л собой вис€щее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состо€щее из 2000 атомов рубиди€. ѕричем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль.

 ак уже говорилось,  еттерле на основе конденсата Ѕозе-Ёйнштейна решил построить атомный лазер. » он создал его в 1996 году. ¬ыше указывалось, что обычный лазер испускает когерентное излучение, т.е. все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. ≈сли вместо света использовать синхронизированные атомы - как раз такие, что составл€ют конденсат Ѕозе - Ёйнштейна, - можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


¬от принципиальна€ схема атомного лазера. —начала конденсат Ѕ-Ё удерживаетс€ магнитной ловушкой (а). ” всех атомов при этом электронные спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление "вверх"). «атем короткий импульс высокочастотного излучени€ "наклон€ет" спины атомов (b). —огласно принципам квантовой механики, "наклоненный" спин €вл€етс€ суперпозицией (смесью) состо€ний "спин-вверх" и "спин-вниз". јтомы со спином "вниз" тут же выталкиваютс€ магнитным полем. јтомна€ "капл€" "жидкого света" выводитс€ из магнитной ловушки (с) и затем расшир€етс€, устремл€€сь к цели (d).

ƒостижени€ теоретической и экспериментальной физики: конденсат бозе-эйнштейна


ј вот здесь наблюдаетс€ когерентность конденсата Ѕ-Ё. ¬ магнитной ловушке создаетс€ "атомный снежок" сигароподобной формы (а). — помощью лазерного луча конденсат разрезаетс€ на две части (b). «атем магнитное силовое поле отключаетс€, и обе половинки падают вниз, постепенно "наезжа€" друг на друга. ¬ области перекрыти€ возникает четка€ интерференционна€ картина (с), котора€ наблюдаетс€ на экране с помощью оптического лазера (d).

ћежду оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различи€. јналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. ¬ обоих случа€х внешн€€ энерги€ приводит к тому, что из активной среды вырываетс€ когерентное излучение. Ќо происходит это не в результате спонтанного излучени€ атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействи€ атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель "жидкого света". ќни обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

»спользовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще в то врем€, когда в јмерике началась разработка программы "«вездные войны". “ака€ замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо дл€ оружи€, подготавливаемого дл€ войн в космосе. Ќо интересен такой лазер не только мощностью.  ак предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможност€ми, о которых мы сегодн€ и мечтать не смеем. ¬едь новый инструмент позвол€ет распор€жатьс€ атомами поштучно, выстраива€ из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли.

ј совсем недавно в »нституте квантовой оптики имени ћ. ѕланка был создан микрочип величиной в почтовую марку. ќн заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, котора€ позвол€ет получать конденсат Ѕозе-Ёйнштейна. ¬еро€тно, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколени€ с невиданными ранее возможност€ми по быстродействию.

1 не понравилс€
22 понравилс€ пост
 
Ќезарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

 омментарии

 
 

 
 
 
Winnetu
ƒата:
(8 окт€бр€ 2015 13:58)
#1
∆идкий свет, очень интересно. даже не слышал об этом
“омск [ссылка]
0 / 0
 
 
 
 
 
 
s512
ƒата:
(9 окт€бр€ 2015 04:36)
#2
пройдут дес€тилети€ пока это будет освоено на практике...
[ссылка]
0 / 0
 
 
 
 
 
 
Nadiushka
ƒата:
(31 окт€бр€ 2015 07:55)
#3
«дравствуйте! ќтличный пост! я, конечно, профан в мире науки, однако,она мен€ прит€гивает и € пытаюсь разобратьс€ хот€ бы в некоторых моментах. ѕожалуйста,не смейтесь над моим вопросом! "приводит к образованию своеобразных капель "жидкого света", значит ли это, что мы можем "потрогать", прикоснутьс€ к свету?
 
“ворчество - внешнее выражение внутренней необходимости...
ћосква [ссылка]
0 / 0
 
 
 
 
 
 
kaa
ƒата:
(31 окт€бр€ 2015 23:25)
#4
÷итата: Nadiushka
«дравствуйте! ќтличный пост! я, конечно, профан в мире науки, однако,она мен€ прит€гивает и € пытаюсь разобратьс€ хот€ бы в некоторых моментах. ѕожалуйста,не смейтесь над моим вопросом! "приводит к образованию своеобразных капель "жидкого света", значит ли это, что мы можем "потрогать", прикоснутьс€ к свету?

Ќад€, пожалуй затруднюсь ответить точно) но рискну предположить, что, поскольку ученые не дремлют, если они бозоны поплотнее сконденсируют, то вполне возможно))
 
самый дешевый в мире товар - это ваше мнение обо мне
ћосква [ссылка]
3 / 0
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

»нформаци€

 
 
 
 
 
 
 
 
 

ќставл€ть свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
ѕожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. “акже вы можете войти на сайт, использу€ существующий профиль в социальных сет€х (¬контакте, ќдноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Ќаверх