» » » » » » Condensat Bose-Einstein și condensat fermionic

Condensat Bose-Einstein și condensat fermionic

Condensatul Bose-Einstein (Date privind distribuția vitezelor pentru un gaz de atomi de rubidiu, confirmând descoperirea unei noi faze a materiei, condensatul Bose-Einstein.) Stânga: chiar înainte de apariția unui condens Bose-Einstein. Centru: imediat după apariția condensatului. Dreapta: după evaporare ulterioară, lăsând o probă de condensat aproape pur.)

Un condensat Bose-Einstein (CBE) este o stare a materiei, un gaz diluat de bosoni răciți la temperaturi foarte apropiate de zero (-273,15 °C). În astfel de condiții, o mare parte a bosonilor ocupă cea mai mică stare cuantică, moment în care se manifestă fenomenele cuantice microscopice, în special interferențele cu funcția de undă. Un CBE este format prin răcirea unui gaz cu o densitate extrem de scăzută, circa o sută de miimi din densitatea aerului normal, până la temperaturi extrem de scăzute.

Această stare a fost pentru prima dată prezisă în 1924-1925, de Satyendra Nath Bose și Albert Einstein.

Diagrama schematică a condensării Bose-Einstein versus temperatură și energie:

Istorie

Satyendra Nath Bose a trimis mai întâi o lucrare lui Einstein cu privire la statisticile cuantice ale cuantei luminoase (numite acum fotoni), din care a derivat legea cuantică a radiației cuantice a lui Planck fără nicio referire la fizica clasică. Einstein a fost impresionat, a tradus el însuși lucrarea din engleză în germană și a transmis-o pentru Bose la Zeitschrift für Physik, care a publicat-o în 1924. (Manuscrisul lui Einstein, mai demult considerat pierdut, a fost găsit într-o bibliotecă la Universitatea Leiden în 2005.) Einstein a extins apoi ideile lui Bose în alte două lucrări. Rezultatul eforturilor lor este conceptul unui gaz Bose, guvernat de statisticile Bose-Einstein, care descrie distribuția statistică a particulelor identice cu spin întreg, numite acum bosoni. Bosonii, care includ fotonul, și atomi precum heliu-4 (4He), au voie să împartă o stare cuantică. Einstein a sugerat că răcirea atomilor bosoni la o temperatură foarte scăzută îi va face să cadă (sau să „condenseze”) în cea mai scăzută stare cuantică accesibilă, ducând la o nouă formă de materie.

În 1938, Fritz London a propus CBE ca un mecanism pentru superfluiditate în 4He și superconductivitate.

La 5 iunie 1995, primul condensat gazos a fost produs de Eric Cornell și Carl Wieman de la Universitatea din Colorado, la laboratorul Boulder NIST-JILA, într-un gaz de atomi de rubidiu răciți la 170 nanocelvini (nK). La puțin timp după aceea, Wolfgang Ketterle de la MIT a demonstrat proprietăți importante ale CBE. Pentru realizările lor, Cornell, Wieman și Ketterle au primit Premiul Nobel pentru fizică din 2001.

Mulți izotopi au fost în curând după aceea condensați, apoi molecule, cvasi-particule și fotoni în 2010.

Cercetări curente

Comparativ cu stările de materie mai obișnuite, condensurile Bose-Einstein sunt extrem de fragile. Cea mai mică interacțiune cu mediul extern poate fi suficientă pentru a le încălzi peste pragul de condensare, eliminând proprietățile lor interesante și formând un gaz normal.

Cu toate acestea, s-au dovedit utile în explorarea unei game largi de întrebări în fizica fundamentală, iar anii de la descoperirile inițiale ale grupurilor JILA și MIT au înregistrat o creștere a activității experimentale și teoretice. Exemplele includ experimente care au demonstrat interferența între condensatele datorate dualității undă-particulă, studiul suprafluidității și vortexurilor cuantificate, crearea de solitoni de unde de materie din condensatele Bose limitate la o singură dimensiune, și încetinirea impulsurilor de lumină la viteze foarte scăzute utilizând transparența indusă electromagnetic. Vortexurile în condensatele Bose-Einstein sunt, de asemenea, în prezent, subiectul cercetării gravitației analogice, studiind posibilitatea modelării găurilor negre și a fenomenelor asociate în astfel de medii în laborator. Experimentatorii au realizat de asemenea „rețele optice”, unde modelul de interferență de la laserele suprapuse oferă un potențial periodic. Acestea au fost folosite pentru a explora tranziția între un superfluid și un izolator Mott și pot fi utile în studierea condensului Bose-Einstein în mai puțin de trei dimensiuni, de exemplu gazul Tonks-Girardeau.

Au fost produse condensuri Bose-Einstein compuse dintr-o gamă largă de izotopi.

Răcirea fermionilor la temperaturi extrem de scăzute a generat gaze degenerate, sub rezerva principiului excluziunii Pauli. Pentru a prezenta condensarea Bose-Einstein, fermionii trebuie să se „împerecheze” pentru a forma particule compuse bosonic (de exemplu, molecule sau perechi Cooper). Primele condensări moleculare au fost create în noiembrie 2003 de către grupurile lui Rudolf Grimm de la Universitatea din Innsbruck, Deborah S. Jin de la Universitatea din Colorado la Boulder și Wolfgang Ketterle de la MIT. Jin a continuat pentru a crea primul condens fermionic compus din perechi Cooper.

În 1999, fizicianul danez Lene Hau a condus o echipă de la Universitatea Harvard care a încetinit un fascicul de lumină la aproximativ 17 metri pe secundă, folosind un superfluid. Hau și asociații au format de atunci un grup de atomi de condens ca recul dintr-un puls de lumină, astfel încât au înregistrat faza și amplitudinea luminii, recuperat de un al doilea condensat din apropiere, în ceea ce s-a numit „amplificarea undelor materiale atomice mediate” folosind condensatele Bose-Einstein: detalii sunt discutate în Nature.

Un alt aspect de interes în cercetarea actuală este crearea condenselor Bose-Einstein în microgravitație pentru a folosi proprietățile acestora pentru interferometria cu atomi de înaltă precizie. Prima demonstrație a unui CBE în absența greutății a fost realizată în 2008 la un turn de cădere din Bremen, Germania de către un consorțiu de cercetători condus de Ernst M. Rasel de la Universitatea Leibniz din Hanovra. Aceeași echipă a obținut în 2017, pentru prima dată, un condens Bose-Einstein în spațiu care este, de asemenea, obiectul a două experimente viitoare pe Stația Spațială Internațională.

Cercetătorii din noul domeniu al atomtronicii folosesc proprietățile condenselor Bose-Einstein atunci când manipulează grupuri de atomi reci la aceeași temperatură folosind lasere.

În 1970, CBE a fost propus de Emmanuel David Tannenbaum pentru tehnologia anti stealth.

Condensat fermionic

Un condensat fermionic este o fază superfluidă formată din particule fermionice la temperaturi scăzute. Este strâns legat de condensatul Bose-Einstein, o fază superfluidă formată de atomi bosoni în condiții similare. Cel mai devreme recunoscut condensat fermionic a descris starea electronilor într-un superconductor; fizica altor exemple, inclusiv lucrările recente cu atomi fermioni, este analogă. Primul condensat fermionic atomic a fost creat de o echipă condusă de Deborah S. Jin în 2003.

Superfluiditate

Condensatele fermionice sunt obținute la temperaturi mai mici decât condensatele Bose-Einstein. Condensatele fermionice sunt un tip de superfluid. După cum sugerează și numele, un superfluid posedă proprietăți lichide similare cu cele posedate de lichide și gaze obișnuite, cum ar fi lipsa unei forme definite și capacitatea de a curge ca răspuns la forțele aplicate. Cu toate acestea, suprafluidele posedă unele proprietăți care nu apar în materia obișnuită. De exemplu, pot circula la viteze ridicate fără a risipi nicio energie – adică, vâscozitate zero. La viteze mai mici, energia este disipată prin formarea de vortexuri cuantificate, care acționează ca „găuri” în mediul în care superfluiditatea se pierde.

Superfluiditatea a fost inițial descoperită în heliu-4 solid, în 1938, de către Piotr Kapitsa, John Allen și Don Misener. Superfluiditatea în heliu-4, care are loc la temperaturi sub 2,17 Kelvin (K), a fost mult timp înțeleasă ca rezultat al condensării Bose, același mecanism care produce condensatele Bose-Einstein. Diferența primară între heliul superfluid și condensul Bose-Einstein este că heliul superfluid este condensat dintr-un lichid, în timp ce condensul Bose-Einstein este condensat dintr-un gaz.

Superfluide fermionice

Este mult mai dificil să producem un superfluid fermionic decât unul bosonic, deoarece principiul excluziunii Pauli interzice fermionilor să dețină aceeași stare cuantică. Cu toate acestea, există un mecanism bine cunoscut prin care se poate forma un superfluid din fermioni. Aceasta este tranziția Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) descoperită în 1957 de John Bardeen, Leon Cooper și Robert Schrieffer pentru descrierea superconductivității. Acești autori au arătat că, sub o anumită temperatură, electronii (care sunt fermioni) se pot împerechea pentru a forma perechi de legături cunoscute acum ca perechi Cooper. Atâta timp cât coliziunea cu rețelele ionice ale solidului nu furnizează suficientă energie pentru ruperea perechilor Cooper, electronul va putea curge fără disipare. Ca rezultat, devine superfluid și materialul prin care curge un superconductor.

Teoria BCS a avut un succes fenomenal în descrierea superconductorilor. La scurt timp după publicarea lucrării BCS, câțiva teoreticieni au sugerat că un fenomen similar ar putea apărea în fluide constituite din fermioni, alții decât electronii, cum ar fi atomii de heliu-3. Aceste speculații au fost confirmate în 1971, când experimentele efectuate de Douglas D. Osheroff au arătat că heliu-3 devine superfluid sub 0,0025 K. În curând a fost verificat faptul că superfluiditatea heliului-3 apare dintr-un mecanism asemănător BCS. (Teoria superfluidului heliu-3 este un pic mai complicată decât teoria superconductivității BCS. Aceste complicații apar deoarece atomii de heliu se resping între ei mult mai puternic decât electronii, dar ideea de bază este aceeași.)

Crearea primelor condensate fermionice

Când Eric Cornell și Carl Wieman au produs un condensat Bose-Einstein din atomii de rubidiu în 1995, a apărut în mod natural posibilitatea de a crea un tip similar de condensat din atomi fermioni, care ar forma un superfluid prin mecanismul BCS. Cu toate acestea, calculele timpurii au indicat că temperatura necesară pentru producerea cuplării Cooper în atomi ar fi prea mică pentru a se realiza. În 2001, Murray Holland la JILA a sugerat o modalitate de ocolire a acestei dificultăți. El a speculat că atomii fermiionici ar putea fi ajutați în asociere prin supunerea lor unui câmp magnetic puternic.

În 2003, lucrând la sugestia lui Holland, Deborah Jin la JILA, Rudolf Grimm la Universitatea din Innsbruck și Wolfgang Ketterle la MIT au reușit să convingă atomii fermioni să formeze bosoni moleculari, care apoi au suferit condensare Bose-Einstein. Totuși, acest lucru nu a fost un adevărat condens fermionic. La 16 decembrie 2003, Jin a reușit să producă pentru prima dată un condens de atomi fermioni. Experimentul a implicat 500.000 de atomi de potasiu-40 răciți la o temperatură de 5×10-8 K, supuși unui câmp magnetic variabil în timp. Constatările au fost publicate în ediția online a Physical Review Letters din 24 ianuarie 2004.

Summary
Review Date
Reviewed Item
Condensat Bose-Einstein și condensat fermionic
Author Rating
51star1star1star1star1star

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.