Pirmais eksperiments ar atomu dzesēšanu notika Starptautiskajā kosmosa stacijā. Ekspertiem izdevies izveidot Bozes-Einšteina kondensātu (BEC), kas parādās tikai ārkārtīgi zemās temperatūrās, kas uz Zemes nav sastopamas, vēsta Space Daily.
2018. gada maijā Aukstā atoma laboratorija (CAL) tika nosūtīta uz SKS, lai pētītu procesus, kas notiek ar šīm daļiņām temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei (-273,15 °C). Izmantojot CAL, zinātnieki vēlējās palēnināt daļiņu kustību un iegūt eksotisku matērijas formu, kaut kur starp gāzi un šķidrumu, kas pazīstams kā Bose-Einšteina kondensāts.
2014. gadā NASA reaktīvo dzinēju laboratorijas inženieri spēja uzbūvēt kameru, lai atdzesētu atomus līdz temperatūrai, kas ir tuvu absolūtai nullei. Tajā pašā gadā zinātnieki ieguva kondensātu Zemes bāzes CAL prototipā. Lai to izdarītu, kamerā tika ievietotas divu veidu dzesēšanas ierīces - lāzeri, kas nomāc atomu vibrācijas un liek daļiņām atdzist, un magnētiskais slazds, kas atgrūž "karstākos" atomus un atstāj tikai aukstākos un nekustīgākos. daļiņas iekšpusē.
Tomēr uz Zemes pēc magnētiskā slazda izslēgšanas aukstie atomi tika piesaistīti “lejā” un “nomira”, tas ir, tie pastāvēja tikai dažas sekundes (ar tik daudz laika nav pietiekami, lai izpētītu šos atomus), bet telpā viņi var “dzīvot” daudz ilgāk, līdz divām līdz četrām minūtēm, jo nav gravitācijas. Tāpēc CAL tika nosūtīta uz SKS.
Pagājušās nedēļas beigās, 27. jūlijā, CAL projekta amatpersonas ziņoja plašsaziņas līdzekļiem, ka to uzstādīšana Starptautiskajā kosmosa stacijā ir radījusi rubīdija atomu CBE temperatūrā līdz 100 nanokelviniem jeb nedaudz virs absolūtās nulles (-273°C). Tas ir zemāks par vidējo temperatūru starpgalaktiskajā telpā (apmēram –270°C). Eksperiments notika attālināti, un to vadīja speciālisti no Zemes.
"Šajās īpaši aukstajās temperatūrās atomu uzvedība, kas veido Bozes-Einšteina kondensātu, ir diezgan atšķirīga no jebkura uz Zemes. Faktiski šis kondensāts tiek raksturots kā piektais vielas stāvoklis, kas atšķiras no gāzēm, šķidrumiem, cietām vielām un plazmas. Jāatzīmē, ka BBE atomi vairāk atgādina viļņus, nevis daļiņas., sacīja NASA Reaktīvo dzinēju laboratorijas inženieris Roberts Šotvels.
"Aukstie atomi ir ilgmūžīgas kvantu viļņu daļiņas, kuras var kontrolēt", skaidro fiziķis Roberts Tompsons, CAL projekta dalībnieks. — "Ar šīm viļņu daļiņām mēs varēsim uzlabot mūsu kvantu tehnoloģijas, pētīt dažas kvantu parādības, iemācīties veikt precīzākus gravitācijas mērījumus un izpētīt paša atoma viļņu raksturu.".
Atomu viļņu raksturu parasti novēro tikai mikroskopiskos mērogos, bet KBE ļauj šo parādību novērot ar neapbruņotu aci, līdz ar to kļūst daudz vieglāk pētīt. Visi īpaši aukstie atomi iegūst zemākās enerģijas stāvokli un to pašu viļņu identitāti, kļūstot neatšķirami viens no otra. Atomu mākoņa vietā parādās viens "superatoms", kuru var viegli pārbaudīt bez palielināšanas instrumentiem.
Bozes-Einšteina kondensāts
QBE esamību teorētiski prognozēja Alberts Einšteins kā kvantu mehānikas likuma sekas, pamatojoties uz Indijas fiziķa Šatjendranata Bozes darbu 1925. gadā, un pirmais eksperiments tika veikts 70 gadus vēlāk. 1995. gadā Ēriks Kornels, Karls Vīmans un Volfgangs Keterls Apvienotajā laboratorijas astrofizikas institūtā (JILA) ieguva pirmo Bose kondensātu no rubīdija atomu gāzes, atdzesētu līdz 170 nanokelvīniem, un 6 gadus vēlāk viņiem tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. šim darbam.
Kopš tā laika zinātnieki ir veikuši desmitiem eksperimentu ar CBE uz Zemes un pat kosmosā uz dažām raķetēm. Bet visi eksperimenti bija īslaicīgi un nedeva būtisku labumu. Aukstā atoma laboratorija šodien ir pirmā un vienīgā iekārta, kurā zinātnieki var veikt ikdienas eksperimentus, lai ražotu un pētītu Bozes-Einšteina kondensātus un sasniegtu reālus zinātniskus rezultātus, kas var atklāt Visuma pamatnoslēpumus.
Nākotnē CAL zinātnieki strādās temperatūrā, kas ir zemāka par tām, ar kurām viņi strādāja Zemes iekārtās.
Atradāt kļūdu? Lūdzu, atlasiet teksta daļu un noklikšķiniet Ctrl+Enter.
Papildus trim matērijas stāvokļiem, kas zināmi katram septītajam (ciets, šķidrs un gāzveida), ir arī citi matērijas stāvokļi. Viens no tiem ir Bose kondensāts, vielas stāvoklis, kas tiek sasniegts temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Šādā stāvoklī viela sāk izrādīt dažādas interesantas īpašības, piemēram, daļiņu grupa uzvedas kā viena daļiņa. Šāda stāvokļa iespējamību 1925. gadā paredzēja Alberts Einšteins. 1995. gadā amerikāņu fiziķi Ēriks Kornels un Karls Vīmans veica eksperimentu, kurā ieguva Bozes-Einšteina kondensātu (par šo atklājumu viņi kopā ar vācieti Volfgangu Keterlu 2001. gadā saņēma Nobela prēmiju).
Savā eksperimentā zinātnieki izmantoja metāla atomus (rubidiju). Taču ideja izveidot Bozes-Einšteina kondensātu no citām daļiņām, jo īpaši fotoniem, lai sistēma darbotos kā viens “superfotons”, radās būtiska problēma. Fakts ir tāds, ka fotonus, lai gan tiem piemīt daļiņu īpašības, dzesēšanas laikā absorbēja apkārtējie materiāli, tādējādi atklājot to viļņu raksturu.
Bonnas universitātes fiziķiem Martina Veica vadībā izdevās atrisināt šo problēmu.
Turklāt viņi istabas temperatūrā izveidoja Bose-Eystein kondensātu.
Vienā no šī darba aprakstiem ir, piemēram, tāda frāze kā “maza sajūta”. Zorans Hadzibabičs no Kembridžas universitātes pastāstīja New Scientist, ka vācu zinātnieku darbs, kas publicēts Nature, "noslēdz loku, kuru Bose un Einšteins teorētiski sāka vilkt pirms 85 gadiem."
Volkers Lannerts, Bonnas Universitāte
Apbrīnu pelnījusi arī vācu fiziķu eksperimentālā uzstādījuma vienkāršība. Savā eksperimentā viņi izmantoja divus ļoti atstarojošus ieliektus spoguļus, kas bija izvietoti 1 mikronu (10–6 metru) attālumā viens no otra. Spoguļi tika ievietoti "krāsā" - sarkanā šķidrā organiskā vidē. Eksperimenta veicēji šajā vidē impulsēja zaļos lāzera starus. Gaisma, kas vairākkārt atstarojās no spoguļiem, izgāja cauri “krāsvielai”. Tajā pašā laikā “krāsvielu” molekulas absorbēja lāzera fotonus un atkārtoti izstaroja tos ar zemāku enerģiju redzamās krāsas dzeltenajā reģionā. Tas nozīmē, ka zinātnieki ir sasnieguši fotonu līdzsvara enerģijas stāvokli istabas temperatūrā savā slazdā.
"Šī procesa laikā fotoni tika atdzesēti līdz istabas temperatūrai, nezaudējot," skaidroja Martins Veits.
Palielinot fotonu skaitu instalācijā (šim nolūkam bija nepieciešams padarīt lāzeru gaišāku), zinātnieki panāca aptuveni triljonu fotonu uz kubikcentimetru blīvumu. Pie šāda blīvuma parādījās fotoni, kas nevarēja piedalīties enerģijas līdzsvarā. Šie liekie fotoni vienlaikus kļuva par Bozes-Einšteina kondensātu un kondensējās vienā lielā "superfotonā". "Visi fotoni sāka staigāt blakus," šo fenomenu komentēja Veits.
Salīdzinot ar Bozes-Einšteina kondensāta veidošanos no atdzesētiem rubīdija atomiem, pašreizējais eksperiments šķiet smieklīgi vienkāršs. pastāstīja Nature News Matiass Veidemullers no Freibergas universitātes. Viņš uzskata, ka vācu zinātnieku piedāvātā gaismas kondensācijas tehnika var būt īpaši efektīva saules staru savākšanai un fokusēšanai saules paneļos mākoņainā laikā, kad tiešu gaismu nevar savākt.
Turklāt šī shēma var dot iespēju radīt jaunus īsviļņu lāzera starojuma avotus, jo īpaši rentgenstarus.
Pats Vaics uzskata, ka viņa un viņa kolēģu darbs var palīdzēt vēl vairāk samazināt elektronisko ierīču, jo īpaši datoru mikroshēmu, izmērus. Tas savukārt ļautu izveidot jaunas paaudzes datorus ar lielāku veiktspēju nekā pašreizējie.
Nu, Volfgangs Keterls, viens no Nobela prēmijas laureātiem par Bozes-Einšteina kondensāta ražošanu no rubīdija atomiem, teica: “Kad es lekciju, es stāstu studentiem, kāpēc Bozes-Einšteina kondensātu nevar iegūt, izmantojot fotonus, lai parādītu pamatprincipus. Atšķirība starp fotoniem un atomiem. Bet tagad šī atšķirība ir zudusi."
Tādējādi CBE, tāpat kā jebkura cita viela, sastāv no atsevišķiem atomiem, taču atšķirībā no parastās matērijas atomi tajā zaudē savu individualitāti. Kļūst neiespējami atšķirt daļu no veseluma, un faktiski tiek iegūts atomu konglomerāts, kam piemīt viena atsevišķa atoma kvantu īpašības. Šis milzu kvaziatoms ir 100 tūkstošus reižu lielāks nekā parasti un pat lielāks par cilvēka šūnu. Pateicoties tā izmēram, QBE sniedz eksperimentētājiem unikālu iespēju tieši pārbaudīt kvantu mehānikas teorētiskos principus praksē: mūsdienu zinātnē tam ir tāda pati loma kā āboliem Ņūtona laikos.
Pirmā viela ar CBE īpašībām tika iegūta 1938. gadā. Padomju fiziķis Pēteris Kapitsa un kanādietis Džons Alens atdzesēja hēliju-4 līdz temperatūrai zem 2,2 kelviniem, kā rezultātā šī gāze ieguva superšķidra šķidruma īpašības bez absolūti nekādas viskozitātes. Superšķidrs hēlijs piemīt neparastas īpašības: tas var izliet uz augšu no atvērta trauka (skatiet fotoattēlu zemāk) vai izplatīties gar vertikālām sienām. Superfluiditāte hēlijā rodas tāpēc, ka daļa hēlija atomu līdz 10 procentiem pārvēršas par CBE.
Lāzertehnoloģijā BBE īpašības tiek izmantotas arī, sinhronizējot fotonu viļņus, kas pēc definīcijas ir bozoni. Lāzera stara radīšanas procesā tiek izmantota bozonu predispozīcija koncentrēties vienā kvantu stāvoklī.
Vēl viena CBE pielietojuma joma ir supravadītāji. Supravadītspēja tiek panākta ar zemas temperatūras elektronu kondensāciju pa pāriem. Pāru elektronu saites veidojas tikai noteiktās vielās noteiktos apstākļos, piemēram, alumīnijā, kas atdzesēts līdz 1,2 kelviniem. Atsevišķus elektronus nevar izmantot, lai izveidotu BBE, jo tie ir ar viļņu funkciju nesaderīgi fermioni, bet, kad tie savienojas pārī, iegūtie bozoni nekavējoties tiek kondensēti BBE. (Līdzīgs pāru un kondensācijas process notiek superšķidrajā hēlijā-3, kura atomi ir fermioni).
Visbeidzot, CBE īpašības ir novērotas eksitons(no lat. excito - satraukt). Šī ir kvazidaļiņa, kas attēlo elektrona saistīto stāvokli un tā saukto “caurumu” - trūkstošo elektronu pusvadītāja kristāla režģa mezglā. Elektrons un caurums, ko rada lāzera impulss, var īslaicīgi apvienoties šādā pārī, kas uzvedas kā pozitīvi lādēta daļiņa. 1993. gadā fiziķi novēroja īslaicīga gāzveida kondensāta veidošanos no eksitoniem pusvadītājā uz vara oksīda bāzes.
Tomēr CBE fenomens tīrā veidā tika eksperimentāli pierādīts salīdzinoši nesen. 1995. gadā fiziķu komanda - tagad Nobela prēmijas laureāti - ražoja šo kondensātu, izmantojot atomu slazdus, izmantojot lāzera starus un magnētiskos laukus, kuros rubīdija atomi tika atdzesēti līdz īpaši zemai temperatūrai, kas sasniedz vairākus simtus nanokelvīnu. Pēc tam zinātnieku grupas visā pasaulē veica daudzus eksperimentus ar BEC, kuros tas tika pakļauts lāzera stariem, skaņas viļņiem, magnētiskajiem laukiem utt. Jo īpaši, kad lāzera stars izgāja caur gāzes kondensātu, tas tika sasniegts palēninot gaismas ātrumu līdz gājēju ātrumam (metri sekundē). Iegūtie rezultāti kopumā atbilda tiem, kas sagaidāmi saskaņā ar kvantu mehānikas postulātiem. Tādējādi tika uzsākta pāreja no kvantu teorijas uz kvantu praksi.
Tuvākajā nākotnē gaidāma plaša CBE ieviešana precizitātes mērīšanas tehnoloģijā, kas ļaus izveidot īpaši precīzus vadības un orientācijas instrumentus, gravitometrus un sistēmas gaisa kuģu un kosmosa kuģu novietojuma noteikšanai ar vairāku centimetru precizitāti. . Vēl viena daudzsološa joma CBE ieviešanai ir nanotehnoloģijas, kas sola nanorobotu parādīšanos, kas spēj no atsevišķiem atomiem salikt jebkuras vielas molekulas, un superjaudīgus kvantu datorus.
Acīmredzot galvenais instruments CBE fenomena ieviešanai tehnoloģiskajā progresā būs ATOMA LĀZERS. Šī ierīce ir optiskā lāzera materiāla analogs. Tas ir, gaismas stara vietā tiek ģenerēts virzīts materiālās matērijas “staurs”. Šāds stars ir saskaņota, brīvi kustīga gāzes koncentrāta plūsma. Termins “saskaņots” šajā gadījumā nozīmē, ka visi atomi starā pārvietojas kvantu sinhroni, tas ir, to viļņu funkcijas ir savstarpēji sakārtotas.
Pirmais atomu lāzers 1997. gadā izveidoja Volfganga Keterla grupa, un to darbināja gravitācija. Sodas koncentrāts tika apstarots ar radioimpulsiem, kuru ietekmē daži atomi mainīja savu spinu. Atomus ar mainītu griešanos lamatas neietekmēja, un tie burtiski izkrita no tā. Faktiski šāds atomu lāzers izskatījās mazāk kā gaismas stars, bet gan vairāk kā ūdens straume, kas plūst no krāna.
1998. gadā Teodors Hēnšs no Minhenes universitātes demonstrēja līdzīgu sistēmu, kas ietvēra nepārtrauktu rubīdija atomu plūsmu. Rubīdija atomu stars bija miljons reižu spilgtāks par visiem tā veidiem. Aptuveni tajā pašā laikā Viljams Filipss un Stīvens Rolstons no Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta beidzot izveidoja atomu lāzeru, kura staru varēja nosūtīt jebkurā virzienā, ne tikai lejup. Savā dizainā viņi izmantoja optiskos lāzerus, kas izsit atomus no kondensāta caur rotējošu caurumu lamatas malā - tā sauktajā "nāves lokā". Izmantojot īpašu lāzera impulsu secību, kas rūpīgi sinhronizēta ar nāves loku, zinātnieki radīja saskaņotu, intensīvu un nepārtrauktu atomu plūsmu - analogu optiskā lāzera spilgtajam staram.
Pašlaik atomu starus jau izmanto vairākos zinātniskos un rūpnieciskos instrumentos, jo īpaši atompulksteņos, augstas precizitātes mērinstrumentos fundamentālo konstantu noteikšanai un datoru mikroshēmu ražošanā. Taču var pieņemt, ka atomlāzeru plašā ieviešana prasīs diezgan ilgu laiku, spriežot pēc tā, ka no optiskā lāzera izgudrošanas līdz tā plašajai izmantošanai sadzīves tehnikā pagāja 30 gadi. Galvenā problēma, izmantojot atomu lāzeru, līdz šim ir tā, ka tā stars izplatās tikai vakuumā.
Starp zinātniski prognozētajām atomu lāzera pielietojuma jomām, kas robežojas ar zinātnisko fantastiku, ir: atomu hologrāfija. Teorētiski nākotnē ir iespējams izveidot atomu lāzerprinterus un faksus, kas dos iespēju drukāt un lielos attālumos pārraidīt nevis plakanus objektu attēlus, bet gan to materiālus trīsdimensiju modeļus.
Kvantu mehānika, kas ir viena no svarīgākajām mūsdienu teorētiskās fizikas nozarēm, tika radīta salīdzinoši nesen – mūsu gadsimta 20. gados.
Tās galvenais mērķis ir izpētīt mikrodaļiņu, piemēram, elektronu uzvedību atomā, molekulā, cietā stāvoklī, elektromagnētiskajos laukos utt.
Katras teorētiskās fizikas nozares attīstības vēsturē ir jāizšķir vairāki posmi: pirmkārt, eksperimentālu faktu uzkrāšana, ko nevarēja izskaidrot, izmantojot esošās teorijas, otrkārt, atsevišķu daļēji empīrisku likumu atklāšana un provizorisku likumu radīšana. hipotēzes un teorijas, un, treškārt, vispārējas radīšanas teorijas, kas ļauj izprast daudzu parādību kopumu no viena skata punkta.
Izmantojot Maksvela-Lorenca teoriju, tika skaidrots arvien vairāk mikropasaules parādību (radiācijas problēma, gaismas izplatīšanās, gaismas izkliede vidē, elektronu kustība elektriskajos un magnētiskajos laukos utt.). . Pamazām sāka uzkrāties eksperimentāli fakti, kas neiekļāvās klasisko ideju ietvaros.
Tajā pašā laikā, lai izveidotu līdzsvara elektromagnētiskā starojuma teoriju, fotoelektrisko efektu un Komptona efektu, bija nepieciešams ieviest pieņēmumu, ka gaismai līdzās viļņu īpašībām jābūt arī korpuskulārajām īpašībām. Tas tika ņemts vērā Planka-Einšteina kvantu teorijā. Diskrētā gaismas struktūra atrada savu aprakstu, ieviešot Planka konstanti h=6,62*IO" 27 erg-sec. Kvantu teorija tika veiksmīgi izmantota arī pirmās atoma kvantu teorijas, Bora teorijas, konstruēšanā, kas balstījās uz atoma planetāro modeli, kas sekoja Raterforda eksperimentiem par alfa daļiņu izkliedi ar dažādām vielām. No otras puses, vairāki eksperimentālie dati, piemēram, difrakcija un elektronu staru traucējumi, liecināja, ka elektroniem kopā ar korpuskulārajiem ir arī viļņu īpašības.
Pirmais vispārinošais rezultāts, rūpīgi analizējot visas sākotnējās teorijas, kā arī eksperimentālos datus, kas apstiprina gan gaismas kvantu raksturu, gan elektronu viļņu īpašības, bija Šrēdingera viļņu vienādojums (1926), kas ļāva atklāt kustības likumus. elektronu un citu atomu daļiņu izpēti un pēc sekundārās kvantēšanas atklāšanas izveidot Maxwell-Lorentz vienādojumus, salīdzinoši konsekventu starojuma teoriju, ņemot vērā gaismas kvantu raksturu. Līdz ar Šrēdingera vienādojuma parādīšanos zinātnieki, kas pētīja atomu, saņēma savās rokās to pašu jaudīgo ieroci, kas savulaik tika dota astronomiem pēc Ņūtona mehānikas pamatlikumu, tostarp universālās gravitācijas likuma, parādīšanās.
Tāpēc nav pārsteidzoši, ka līdz ar Šrēdingera vienādojuma parādīšanos daudzi fakti, kas saistīti ar elektronu kustību atoma iekšienē, atrada savu teorētisko pamatojumu.
Tomēr, kā vēlāk izrādījās, Šrēdingera teorija neaprakstīja visas atomu īpašības; ar tās palīdzību it īpaši nebija iespējams pareizi izskaidrot atoma mijiedarbību ar magnētisko lauku vai izveidot sarežģītu atomu teoriju. Tas galvenokārt bija saistīts ar faktu, ka Šrēdingera teorija neņēma vērā elektrona relativistiskās un spina īpašības.
Šrēdenera teorijas tālāka attīstība bija Diraka relativistiskā teorija. Diraka vienādojums ļāva aprakstīt gan elektronu relatīvistiskos, gan spina efektus. Izrādījās, ka, ja relativistisku efektu ņemšana vērā atomos ar vienu elektronu noved pie salīdzinoši nelielām kvantitatīvām korekcijām, tad, pētot atomu uzbūvi ar vairākiem elektroniem, ņemot. spin ietekmes ņemšanai vērā ir izšķiroša nozīme. Tikai pēc tam, kad tika ņemtas vērā elektronu griešanās īpašības, bija iespējams izskaidrot noteikumu par elektronu čaumalu piepildīšanu atomā un dot Mendeļejeva periodiskajam likumam stingru pamatojumu.
Līdz ar Diraka vienādojuma parādīšanos fundamentālos jautājumus, kas saistīti ar atoma elektronu apvalka uzbūvi, varēja uzskatīt par lielā mērā atrisinātiem, lai gan bija jāturpina mūsu zināšanu padziļināšana atsevišķu detaļu izstrādē. Šajā sakarā jāatzīmē, ka pašlaik tiek detalizēti pētīta tā saukto elektromagnētisko un elektronu-pozitronu vakuumu ietekme, kā arī kodolu magnētisko momentu un kodoldaļiņu izmēru ietekme. A atomu enerģijas līmeņi.
Viena no elementārdaļiņu teorijas pirmā posma, ko sauc par kvantu lauka teoriju, raksturīgajām iezīmēm ir elementārdaļiņu savstarpējās konvertējamības apraksts. Jo īpaši saskaņā ar Diraka teoriju tika prognozēta iespējamā gamma staru transformācija elektronu-pozitronu pārī un atpakaļ, kas pēc tam tika eksperimentāli apstiprināta.
Tātad, ja klasiskajā teorijā starp gaismu un elektroniem pastāvēja divas atšķirības: a) gaismas viļņi, elektroni ir daļiņas, b) gaisma var parādīties un absorbēties, bet elektronu skaitam jāpaliek nemainīgam, tad kvantu mehānikā ar tai raksturīgo. viļņu-daļiņu duālismā tika izdzēsta pirmā atšķirība starp gaismu un elektroniem. Tomēr tajā, tāpat kā Lorenca teorijā, elektronu skaitam bija jāpaliek nemainīgam Tikai pēc kvantu lauka teorijas parādīšanās, kas apraksta elementārdaļiņu savstarpējo konvertējamību, faktiski tika izdzēsta otrā atšķirība.
Tā kā viens no teorētiskās fizikas galvenajiem uzdevumiem ir reālās pasaules un, pirmkārt, vienkāršāko tās kustības formu izpēte, kas nosaka arī sarežģītākas parādības, tad likumsakarīgi, ka visi šie jautājumi vienmēr ir saistīti ar filozofiskiem jautājumiem un , jo īpaši ar jautājumu par mikropasaules atpazīstamību, tāpēc ne Pārsteidzoši, ka daudzi nozīmīgākie fiziķi, kas veikuši svarīgākos atklājumus fizikas jomā, arī mēģināja interpretēt šos atklājumus no viena vai otra filozofiskā viedokļa. Pateicoties šādiem uzskatiem, tas tika atklāts Bozes-Einšteina kondensācijas efekts.
1920. gadā fiziķi jau bija labi pazīstami ar gaismas divējādo dabu: dažu eksperimentu rezultātus ar gaismu varēja izskaidrot, pieņemot, ka gaisma ir viļņi, savukārt citos tā uzvedās kā daļiņu straume. Tā kā šķita pašsaprotami, ka nekas nevar būt vienlaikus gan vilnis, gan daļiņa, situācija palika neskaidra, izraisot asas diskusijas speciālistu vidū. 1923. gadā franču fiziķis L. de Broglie savās publicētajās piezīmēs norādīja, ka šāda paradoksāla uzvedība var nebūt raksturīga gaismai, taču matērija dažos gadījumos var uzvesties kā daļiņas, bet citos kā viļņi. Balstoties uz relativitātes teoriju, de Broglie parādīja, ka, ja daļiņas impulss ir vienāds ar lpp, tad ar šo daļiņu “saistītajam” vilnim ir jābūt viļņa garumam l = h /lpp.Šī attiecība ir līdzīga relācijai, ko pirmo reizi ieguva Planks un Einšteins E = h n starp gaismas kvantu enerģiju E un biežumu n atbilstošs vilnis. De Broglie arī parādīja, ka šo hipotēzi var viegli pārbaudīt eksperimentos, kas līdzīgi tiem, kas demonstrē gaismas viļņu raksturu, un viņš neatlaidīgi aicināja veikt šādus eksperimentus. De Brolija piezīmes piesaistīja Einšteina uzmanību, un līdz 1927. gadam K. Deivisons un L. Germers ASV, kā arī Dž. Tomsons Anglijā apstiprināja ne tikai de Brolija pamatideju par elektroniem, bet arī viņa formulu par viļņa garumu. 1926. gadā austriešu fiziķis E. Šrēdingers, kurš tolaik strādāja Cīrihē, uzklausīja de Broglie darbu un to apstiprinošos eksperimentu provizoriskos rezultātus, publicēja četrus rakstus, kuros viņš iepazīstināja ar jaunu teoriju, kas bija stabils matemātisks pamatojums. šīs idejas.
Šai situācijai ir savs analogs optikas vēsturē. Ar pārliecību, ka gaisma ir noteikta garuma vilnis, nepietiek, lai detalizēti aprakstītu gaismas uzvedību. Tāpat nepieciešams uzrakstīt un atrisināt J. Maksvela atvasinātos diferenciālvienādojumus, kas detalizēti apraksta gaismas mijiedarbības ar vielu procesus un gaismas izplatīšanos telpā elektromagnētiskā lauka veidā. Šrēdingers uzrakstīja diferenciālvienādojumu de Broglie matērijas viļņiem, līdzīgi kā Maksvela gaismas vienādojumi. Šrēdingera vienādojumam vienai daļiņai ir forma
=d/dxKur m- daļiņu masa, E- viņas pilna enerģija, V (x) ir potenciālā enerģija, un y– elektronu viļņu raksturojošs daudzums. Vairākos rakstos Šrēdingers parādīja, kā viņa vienādojumu var izmantot, lai aprēķinātu ūdeņraža atoma enerģijas līmeni. Viņš arī konstatēja, ka ir vienkārši un efektīvi veidi, kā atrisināt aptuvenas problēmas, kuras nevar precīzi atrisināt, un ka viņa matērijas viļņu teorija ir matemātiski pilnībā līdzvērtīga Heizenberga novērojumu algebriskajai teorijai un visos gadījumos noveda pie tādiem pašiem rezultātiem. P. Diraks no Kembridžas universitātes parādīja, ka Heizenberga un Šrēdingera teorijas pārstāv tikai divas no daudzajām iespējamām teorijas formām. Diraks drīz guva negaidīti lielus panākumus, parādot, kā kvantu mehānika vispārina ļoti lielu ātrumu apgabalā, t.i. iegūst formu, kas apmierina relativitātes teorijas prasības. Pamazām kļuva skaidrs, ka pastāv vairāki relativistiskie viļņu vienādojumi, no kuriem katrs zema ātruma gadījumā var tikt tuvināts ar Šrēdingera vienādojumu, un ka šie vienādojumi apraksta pilnīgi dažāda veida daļiņas. Piemēram, daļiņām var būt dažādi "grieži"; to paredz Diraka teorija. Turklāt saskaņā ar relatīvistisko teoriju katrai daļiņai jāatbilst antidaļiņai ar pretēju elektriskā lādiņa zīmi. Laikā, kad tika publicēts Diraka darbs, bija zināmas tikai trīs elementārdaļiņas: fotons, elektrons un protons. 1932. gadā tika atklāta elektrona antidaļiņa pozitrons. Dažu nākamo desmitgažu laikā tika atklātas daudzas citas antidaļiņas, no kurām lielākā daļa apmierināja Diraka vienādojumu vai tā vispārinājumus. Kvantu mehānika, kas tika radīta 1925.–1928. gadā ar izcilu fiziķu pūlēm, kopš tā laika nav piedzīvojusi būtiskas izmaiņas tās pamatos.
Bozona atomu gāzē daži atomi pilnībā zaudē savu kinētisko enerģiju un impulsu diezgan zemā, bet ierobežotā temperatūrā. Tādus atomus sauc Bose kondensāts no lat. kondenso - “sabiezināt”. Kondensāta atomu viļņu funkcijas fāzē ir savstarpēji konsekventas. Uz šī pamata izstrādāts atomu lāzeri izstaro atomus ar koherentām viļņu funkcijām.
Ideālas bozona gāzes daļas pilnīgas kinētiskās enerģijas zuduma fenomenu zemā temperatūrā teorētiski atklāja A. Einšteins 1925. gadā. Procesu sauc par Bose daļiņu kondensācija impulsa telpā . To 1938. gadā detalizēti pētīja Frics un Heincs Londona. Bose kondensācija ir sekas tam, ka bozona gāzes ķīmiskais potenciāls nevar būt pozitīvs. Normālā temperatūrā gāzes ķīmiskais potenciāls ir negatīvs. Temperatūrai pazeminoties, ķīmiskais potenciāls palielinās, un pietiekami zemā temperatūrā tas sasniedz augstāko iespējamo vērtību. Tālāka temperatūras pazemināšanās izraisa daļiņu skaita samazināšanos gāzes fāzē un daži atomi izgulsnējas kondensātā.
Haincs Londons (1907–1970) un Frics Londons (1900–1954) –
supravadītspējas un kvantu ķīmijas teorijas pamatlicējs
Eksperimentāli nav bijis iespējams iegūt kondensāciju vairāk nekā 50 gadus, jo zemās temperatūrās starpatomu mijiedarbība piesaista atomus viens otram, veidojas kopas un pēc tam šķidrs vai ciets stāvoklis pirms Bose kondensācijas sākuma. Klasteris rodas, kad saduras trīs vai vairākas daļiņas, kas ir lielāka iespējamība augstās koncentrācijās. Pie zemām daļiņu koncentrācijām dominē pāru sadursmes, nodrošinot termiskā līdzsvara izveidošanos. Lai novērstu klasteru veidošanos, ir jāsamazina gāzes koncentrācija. Metastabilu Bose kondensātu retu gāzēs, kas sastāv no rubīdija, nātrija un litija atomiem, pirmo reizi ieguva V. Keterls, K. Vīmens un E. Kornels 1995. gadā. Ūdeņraža atomi tika kondensēti 1997. gadā. Bose kondensātam piemīt unikālas īpašības: temperatūra, ātrums gaismas 
, skaņas ātrums.
Volfgangs Keterls, Kārlis Vīmens, Ēriks Kornels
Atomi bozoni. Atoma spins sastāv no čaulas elektronu spiniem un kodola nukleoniem, kas ir vienādi ar 1/2. Elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu, tāpēc to kopējais spins elektriski neitrālā atomā ir vesels skaitlis. Atoma spinu nosaka neitronu skaits. Bozoni ir atomi ar pāra neitronu skaitu , piemēram: 1 H 1, 2 He 4, 3 Li 7, 11 Na 23, 37 Rb 87, kur zemākais skaitlis ir elementa kārtas numurs periodiskajā tabulā vai protonu skaits kodolā, augšējais skaitlis ir masas skaitlis jeb protonu un neitronu skaits kodolā. Atoms ar pāra skaitļu starpību ir bozons. Īpaši zemā temperatūrā atomi atrodas pamatstāvoklī, tāpēc pirmajiem diviem ir nulles spins, bet pēdējiem trim spins ir vienāds ar vienu. Griešanās stāvokļu skaits
Nukleonu barionskaits ir saglabāts, tāpēc atomu skaits izolētā sistēmā nemainās.
Bozona enerģijas sadalījums. Mēs izmantojam Bozes–Einšteina sadalījumu (4.10) vidējam daļiņu skaitam vienā stāvoklī
,
un trīsdimensiju gāzes stāvokļu blīvums (3.8.)
, 
.
Mēs iegūstam daļiņu skaitu enerģijas diapazonā tilpuma gāzē V
. (4.77)
Kopējais daļiņu skaits mēs atrodam no (4.77)
. (4.78)
Ķīmiskais potenciāls tiek noteikts no (4.78). Mainoties temperatūrai, daļiņu skaits paliek nemainīgs, tad no T nav atkarīgs
,
kur ņemts vērā. Līdz ar to, temperatūrai pazeminoties, |m| samazinās, un ķīmiskais potenciāls palielinās no negatīvām vērtībām līdz nullei. Ja ir temperatūra, kurā ķīmiskais potenciāls kļūst par nulli:
tad, kad tas ir izpildīts
. (4.79)
Kad temperatūra pazeminās zemāk, μ pieaugums nav iespējams, un (4.78) ir apmierināts, jo samazinās gāzes daļiņu skaits.
Kondensācijas slieksnis ir temperatūras diapazona augšējā robeža, kurā ķīmiskais potenciāls ir nulle. No (4.78) iegūstam
,
Kur N– gāzes daļiņu skaits normālā temperatūrā. Izmantojot
, mēs atrodam integrāli
,
mēs saņemam
. (4.80)
Kondensācijas sliekšņa temperatūra palielinās, palielinoties atomu koncentrācijai un ar atommasas samazināšanos .
Atoma masu izsaka caur molāro masu
atomu koncentrāciju izsakām molārā tilpuma izteiksmē
.
No (4.80) CGS vienību sistēmā iegūstam
[UZ]. (4,81)
2 He 4 ar parametriem:
, , 
,
Mēs iegūstam de Broglie viļņa garumu pie . Atomam ar vidējo enerģiju
un impulss
mēs izmantojam (4,80) un iegūstam
,
.
Ņemot vērā, kur d ir vidējais attālums starp atomiem, mēs atklājam
.
Temperatūrai pazeminoties, atoma de Broglie viļņa garums palielinās un, kad tiek sasniegts kondensācijas slieksnis, to salīdzina ar attālumu starp atomiem. Daļiņu viļņu funkcijas pārklājas un traucē, un Bose kondensātam piemīt kvantu īpašības.
Kondensēto daļiņu skaits. Temperatūras diapazonā ķīmiskais potenciāls ir nulle. Pie zemākas temperatūras T 0 vienādojums (4.78)
, ,
ko veic, samazinot daļiņu skaitu gāzes fāzē no oriģināla N uz pašreizējo N 1 (T). Līdzīgi kā (4.80) iegūstam
, .
Rezultātu dalīt ar (4,80)
,
un atrodiet gāzes fāzē atlikušo daļiņu skaitu un koncentrāciju:
, (4.82)
. (4.82a)
Kondensēto daļiņu skaits
. (4.83)
Kondensēto daļiņu relatīvais skaits ir parādīts attēlā.
Iekšējā enerģijas un siltuma jauda. Izmantojot (4.77)
,
mēs iegūstam iekšējo enerģiju
, (4.84)
Kondensācijas apgabalā mēs atrodam
, (4.85)
.
Iekšējo enerģiju nosaka tikai gāzes fāzes ieguldījums, kondensētās fāzes iekšējā enerģija ir nulle . No (4,85) un (4,82)
mēs atrodam enerģiju uz vienu gāzes fāzes daļiņu kondensācijas reģionā:
. (4.86)
No (4.85) mēs atrodam siltuma jaudu zem kondensācijas sliekšņa:
. (4.87)
Ņemot vērā (4,80)
,
no (4.87) iegūstam siltuma jaudu pie kondensācijas temperatūras
. (4.87a)
Bezmaksas enerģija. No (4,85)
un no Gibsa–Helmholca vienādojuma (2.29) atrodam
. (4.88)
Entropija un spiediens izteikts brīvās enerģijas izteiksmē
Ņemot vērā (4.88), iegūstam kondensācijas apgabalā
, (4.89)
, (4,90a)
Izteiksme (4.90b) ir nerelativistiskas ideālās kvantu gāzes stāvokļa vienādojums , un sakrīt ar klasiskās ideālās gāzes stāvokļa vienādojumu. Salīdzinot (4,89) un (4,82)
,
mēs to atrodam entropija ir proporcionāla daļiņu skaitam gāzes fāzē . Tāpēc kondensētās fāzes entropija ir nulle . Spiedienu (4,90a) nosaka temperatūra un tas nav atkarīgs no tilpuma. Kondensētām daļiņām ir nulles impulss un tās nerada spiedienu. To nosaka gāzes fāzes daļiņu koncentrācija (4.82a)
,
. (4.91)
Kondensācijas veikšana. Divu daļiņu sadursmes nodrošina gāzes termodinamisko līdzsvaru. Trīs daļiņu sadursmes izraisa šķidru un cietu stāvokļu veidošanos. Pie salīdzinoši augsta gāzes blīvuma trīs daļiņu sadursmes ir nozīmīgas. Starpatomu mijiedarbība zemā temperatūrā veido šķidru vai kristālisku stāvokli. Pie zema gāzes blīvuma trīs daļiņu sadursmes iespējamība ir ievērojami mazāka nekā divu daļiņu sadursmes. Tā rezultātā zemās temperatūrās ir iespējams gāzveida metastabils stāvoklis ar pietiekami ilgu kalpošanas laiku. Pirmie kondensāti tika iegūti no rubīdija, nātrija un ūdeņraža atomiem pie gāzes fāzes temperatūras ~10–2 K zem spiediena. P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .
Droseles turēšana tiek veikta evakuētā stikla kamerā, kuras izmērs ir mazāks par 1 mm magnētiskais slazds . Spoles sistēma rada nevienmērīgu magnētisko lauku ar absolūto minimumu centrā. Atoma magnētiskais moments lppm magnētiskajā laukā B saņem enerģiju (- lppm×B). 2. punktam slazda centrā lauks ir niecīgs, 1. punktam, kas atrodas tālāk no centra, lauks B stiprs. Termodinamiskā līdzsvara apstākļos elektroķīmiskie potenciāli visos punktos ir vienādi
.
Magnētiskais slazds
2 He 4 atoma pamatstāvoklī elektronu spini ir vērsti pretējos virzienos, to magnētiskie momenti tiek kompensēti un atomam nav sava magnētiskā momenta. Kad tiek ieslēgts ārējais magnētiskais lauks, elektromagnētiskās indukcijas fenomena dēļ atomā parādās apļveida elektronu strāva. Saskaņā ar Lenca likumu inducētais magnētiskais moments ir vērsts pret ārējo lauku, tas dod
,
Ķīmiskais potenciāls palielinās, palielinoties daļiņu koncentrācijai, tad mēs iegūstam
Atomi ar magnētiskiem momentiem, kas vērsti pret lauku, tiek virzīti no spēcīga uz vāju magnētisko lauku - " diamagnētiskie atomi meklē vāju lauku " Rezultātā atomi tiek savākti un turēti lamatas centrā. Aiztures zonai ir cigāra forma ar diametru ~(10...50) mikroni, garums ~300 mikroni. Atomi tiek izņemti no slazda ar īsu augstfrekvences starojuma impulsu, sasverot atomu magnētiskos momentus. Stāvokļu superpozīcija rodas ar momentiem, kas vērsti pret un gar lauku, pēdējo stāvokli izspiežot slazds.
Bose kondensāta noturēšanai ir izstrādātas arī mikroshēmas, kas rada nepieciešamo magnētiskā lauka konfigurāciju ~0,1 mm attālumā no savas virsmas un patērē ~1 W jaudu. Šajos attālumos mikroshēma rada nevienmērīgāku magnētisko lauku nekā spole, nodrošinot labāku gāzes aizturi. Mikroshēma ir miniatūra, tai ir istabas temperatūra, un tās siltuma starojumu vāji absorbē gāze. Mainot mikroshēmas strāvas, jūs varat pārvietot slazda centru un pārvietot Bose kondensātu pa mikroshēmas virsmu.
Gāzes dzesēšana Izpildīts lāzera metode , pamatojoties uz Doplera efektu. Ja lāzera starojums ar frekvenci n tiek vērsts uz haotiski kustīgiem atomiem< n 0 , где n 0 – частота резонансного поглощения атома, то покоящиеся и движущиеся от лазера атомы не поглощают излучение. Атом, движущийся к лазеру со скоростью V, uztver frekvenci
un pie n¢ = n 0 absorbē fotonu. Tā rezultātā atoms saņem impulsu pret savu ātrumu un tiek palēnināts. Uzbudināts atoms izstaro enerģiju vidēji izotropiski. Radiācija tuvajā spektra infrasarkanajā reģionā, ko rada pusvadītāju lāzeri un kas vērsta uz gāzi no sešām savstarpēji perpendikulārām pusēm, noved pie tā dzesēšanas.
Arī lietots iztvaikošanas dzesēšana ar vislielāko ātrumu izgrūžot atomus no slazda perifērijas, izmantojot augstfrekvences magnētisko lauku. Tas sasver magnētiskos momentus, izveidojot lauka virzienā komponentu, kuru izgrūž slazds. Daļiņas ar lielāku ātrumu ātrāk sasniedz gāzes robežu un to koncentrācija pie robežas ir lielāka nekā daļiņu koncentrācija ar mazu ātrumu. Tāpēc lielas enerģijas daļiņas, visticamāk, iztvaiko. Slazdam, kura pamatā ir spoles, dzesēšana notiek līdz gāzes fāzes temperatūrai aptuveni 10–7 K laikā no 10 s līdz 10 min. Mikroshēmai kondensācijai nepieciešamā temperatūra tiek sasniegta mazāk nekā 1 s. Kondensāta atomu koncentrācija ir ~10 14 cm –3, siltumenerģija atbilst temperatūrai, kas zemāka par 10 –11 K.
