Bose-Einstein kondensat

Den Bose-Einstein-kondensat (etter Satyendra Nath Bose og Albert Einstein , forkortelse BEK , engelsk BEC ) er en ekstrem tilstand av aggregering av et system av utvisket partikler , hvor hoveddelen av partiklene er i samme kvantemekanisk tilstand . Dette er bare mulig hvis partiklene er bosoner og derfor er underlagt Bose-Einstein-statistikk .

Bose-Einstein-kondensater er makroskopiske kvanteobjekter der de enkelte bosoner er fullstendig avlokalisert . Dette er også kjent som den makroskopiske kvantetilstanden . Bosonene kan ikke skilles helt fra hverandre. Tilstanden kan derfor beskrives av en enkeltbølgefunksjon .

De resulterende egenskapene er superfluiditet , superledningsevne , suprasoliditet eller koherens over makroskopiske avstander. Sistnevnte tillater interferenseksperimenter med Bose-Einstein-kondensater samt produksjon av en atomerlaser , som kan oppnås ved kontrollert frakobling av en del av materiebølgen fra fellen som holder kondensatet.

oppdagelse

Teoretisk  forutsa Albert Einstein i 1924 - på bakgrunn av et verk av Satyendranath Bose om kvantestatistikken til fotoner - at en homogen ideell Bose-gass ville kondensere ved lave temperaturer .

De superflytende egenskaper for flytende helium ved temperaturer under 2.17 K ble deretter tilbakeføres til Bose-Einsteins kondensasjon. Imidlertid er direkte observasjon av effekten i dette systemet ekstremt vanskelig fordi samspillet mellom atomene ikke kan neglisjeres her. Derfor, i motsetning til Bose-Einstein-teorien, som siden har blitt bekreftet eksperimentelt i ultrakolde gasser, er superfluid helium ikke maksimalt 100%, men bare 8% av atomene er i grunntilstand .

Forsøk på å oppnå en Bose-Einstein-kondens i en gass som består av polariserte hydrogenatomer, lyktes først.

De første Bose-Einstein-kondensatene - bestående av rubidiumatomer - ble eksperimentelt produsert i juni og september 1995 av Eric A. Cornell og Carl E. Wieman ved JILA og av Wolfgang Ketterle , Kendall Davis og Marc-Oliver Mewes ved MIT . I 2001 mottok Cornell, Wiemann og Ketterle Nobelprisen i fysikk for dette .

Eksistensbetingelser

Den faseovergangen fra et klassisk atom gass til en Bose-Einsteins kondensat finner sted når en kritisk fase plass tetthet er nådd, det vil si når den tettheten av de partiklene med tilnærmet samme moment er stor nok.

Man kan forstå det på denne måten: atomene er kvantepartikler , hvis bevegelse er representert av en bølgepakke . Utvidelsen av denne bølgepakken er den termiske De Broglie-bølgelengden . Dette blir større jo lenger temperaturen synker. Når De Broglie-bølgelengden når middelavstanden mellom to atomer, kommer kvanteegenskapene til spill. Bose-Einstein-kondens setter nå inn i et tredimensjonalt ensemble . Det er derfor nødvendig å øke gassens tetthet og senke temperaturen for å oppnå faseovergangen.

I sammenheng med statistisk fysikk kan Bose-Einstein-statistikken brukes til å beregne den kritiske temperaturen til en ideell Bose- gass , under hvilken Bose-Einstein-kondensasjonen begynner: ${\ displaystyle T _ {\ mathrm {C}}}$

${\ displaystyle T _ {\ mathrm {C}} = {\ frac {h ^ {2}} {2 \ pi \ cdot m \ cdot k _ {\ mathrm {B}}}} \ venstre ({\ frac { n} {(2S + 1) \ cdot \ zeta (3/2)}} \ høyre) ^ {2/3}}$

Hvor:

${\ displaystyle h}$: Plancks handlingskvantum

${\ displaystyle m}$: Massen av partiklene

${\ displaystyle k _ {\ mathrm {B}}}$: Boltzmann konstant

${\ displaystyle n}$: Tetthet av partikler

${\ displaystyle S}$: Spinn av partiklene

${\ displaystyle \ zeta (x)}$: Riemann zeta-funksjon ,${\ displaystyle \ zeta (3/2) \ ca 2 {,} 6124}$

“Ideell Bosegas” betyr at en uendelig omfattende, homogen, ikke-interagerende gass vurderes til beregningen. Inkluderingen av atomene i den fallende potensial og samspillet mellom disse føre til en svak avvikelse av den faktisk observerte kritiske temperatur fra den beregnede verdi, men med formel gir riktig størrelsesorden. For typiske, eksperimentelt realiserbare parametere, finner man temperaturer på betydelig under 100 nK, såkalte ultra - lave temperaturer .

generasjon

Den vanlige metoden for å lage Bose-Einstein-kondensater fra atomer består av to faser:

• For det første fanges atomene i en magneto-optisk felle og forkjøles ved laserkjøling . Laserkjølingen har imidlertid en nedre grense for temperaturer (vanligvis rundt 100 µK), som er forårsaket av rekylen under spontan utslipp av fotoner.
• Imidlertid er gjennomsnittshastigheten til atomene som er avkjølt på denne måten, bare noen få centimeter per sekund, liten nok til å bli fanget i en magnetisk eller optisk felle. Atomskyens temperatur reduseres ytterligere ved fordampningskjøling , dvs. kontinuerlig fjerning av de mest energiske atomer. I denne prosessen fjernes mest 99,9% av atomene bevisst. På denne måten oppnår de gjenværende atomene den fasetetthet som kreves for å fullføre faseovergangen til et Bose-Einstein-kondensat.

På denne måten var det mulig frem til 2004 å oppnå Bose-Einstein-kondens for mange forskjellige isotoper ved ekstremt lave temperaturer på 100 nK og under ( ⁷ Li , ²³ Na , ⁴¹ K , ⁵² Cr , ⁸⁵ Rb , ⁸⁷ Rb, ¹³³ Cs og ¹⁷⁴ Yb ). Til slutt var de også vellykkede med hydrogen, om enn med litt forskjellige metoder.

Det faktum at de ovennevnte gassene viser bosonisk oppførsel og ikke - som faststoffysikere eller kjemikere forventer av alkalianomer - fermionisk oppførsel (som Pauli-prinsippet vil gjelde for) er basert på et subtilt samspill mellom elektron og nukleær spinn ved ultra- lave temperaturer: med tilsvarende lave eksitasjons- energi den halv- heltall samlede spinn av elektronskall av atomene og den halv heltall kjernespinn er koplet ved den svake hyperfine interaksjon for å danne et heltall total spinn av systemet. I motsetning til dette bestemmes oppførselen ved romtemperatur ("kjemien" til systemene) utelukkende av sentrifugeringen av elektronskallet, fordi her er de termiske energiene mye større enn de hyperfine feltenergiene.

I 2006 oppnådde Demokritov og kolleger Bose-Einstein-kondensasjonen av magnoner (kvantiserte spinnbølger ) ved romtemperatur, men ved hjelp av optiske pumpeprosesser .

I 2009 lyktes Physikalisch-Technische Bundesanstalt for første gang å generere et Bose-Einstein-kondensat fra kalsiumatomer . I motsetning til de tidligere brukte alkalimetallene  har slike jordalkalimetaller en optisk overgang som er en million ganger smalere og er derfor egnet for nye typer presisjonsmålinger, f.eks. B. av gravitasjonsfelt , brukbare.

I november 2010 rapporterte en forskningsgruppe ved Universitetet i Bonn om genereringen av et Bose-Einstein-kondensat fra fotoner. Fotonene ble fanget i en optisk resonator mellom to buede speil. Siden fotoner ikke kan kjøles ned, ble fargemolekyler plassert i resonatoren for å etablere en termisk likevekt . Kondens som oppstod etter optisk pumping kunne oppdages i form av en sammenhengende gul lysstråle. I henhold til forskning gruppe rundt Martin Weitz, kan det fotoniske Bose-Einsteins kondensat anvendes for å fremstille kort-bølge laser i UV eller røntgenområdet .

Det første Bose-Einstein-kondensatet i verdensrommet ble opprettet i 2017. For dette formålet ble MAIUS-raketten lansert med en VSB-30- motor på European Space and Sounding Rocket Range og ført til en vektløs parabolflyging i mer enn 240 km høyde. Der, i et tidligere opprettet ultrahøyt vakuumkammer , ble rubidiumatomer brakt nesten til absolutt null ved hjelp av en diodelaser i en magneto-optisk felle ved fordampningskjøling . Bose-Einstein-kondensatet ble deretter generert ved hjelp av en atombrikke . Det ble frigjort fra sentrum av fellen i vektløshet før et harmonisk potensial ble kort brukt ved hjelp av et magnetfelt og tilstandene ble målt med et Mach-Zehnder interferometer . Oppdraget var et samarbeidsprosjekt der følgende institusjoner var involvert under ledelse av Gottfried Wilhelm Leibniz University of Hannover : Humboldt University of Berlin , Ferdinand Braun Institute, Leibniz Institute for High Frequency Technology , ZARM , Johannes Gutenberg University Mainz , University of Hamburg , University of Ulm , Technical University of Darmstadt , simulering og programvareteknologi Braunschweig og den mobile missilbasen .

21. mai 2018 ble Cold Atom Laboratory (CAL) -eksperimentet fløyet til ISS- romstasjonen på en Cygnus-ferge . I juni 2020 rapporterte forskere at de med hell hadde produsert BEK der.

I følge en studie med muligens den første eksperimentelt superledende BEK, ser det ut til å være en "jevn overgang" mellom BEK- og BCS-modaliteter .

Eksperimentelle bevis

Tetthetsfordeling av et Bose-Einstein-kondensat

Beviset for at et Bose-Einstein-kondensat faktisk ble generert, gjøres vanligvis ved hjelp av absorpsjonsbilder etter en flytid med atomgasser .

For å gjøre dette, blir fellen der gassen ble fanget av, plutselig slått av. Gass-skyen deretter ekspanderer og, etter en flukttid blir bestrålt med resonant laser lys . Strålens fotoner er spredt av atomene i gasskyen , slik at strålen effektivt svekkes. Den resulterende (halv) skyggen kan tas opp med et følsomt CCD- kamera, og tetthetsfordelingen av gasskyen kan rekonstrueres fra bildet.

Dette er anisotropisk for Bose-Einstein-kondensater , mens en klassisk gass alltid utvides isotropisk i termisk likevekt . I mange tilfeller er tetthetsfordelingen parabolsk , noe som kan forstås som en konsekvens av samspillet mellom atomene og som skiller Bose-Einstein-kondensatet fra et ideelt Bosegas .

Lignende effekter

• Når det gjelder fermionkondensatet , er effekten også basert på bosoner. På grunn av Pauli-prinsippet er det ikke mulig for fermioner å være i samme tilstand. Dette gjelder imidlertid ikke fermioner som kombineres parvis for å danne bosoner, som deretter kan danne et kondensat som bosoner.

litteratur

• Satyendranath Bose : Plancks lov og lyskvantehypotese . I: Zeitschrift für Physik nr. 26, s. 178, Springer, Berlin / Heidelberg 1924 (engelsk oversettelse publisert i American Journal of Physics , Vol. 44, nr. 11, november 1976).
• Albert Einstein: Quantum Theory of the Monatomic Ideal Gas - Second Treatise . I: Møterapporter fra det preussiske vitenskapsakademiet . Berlin, 1925, s. 3-10.
• Kai Bongs, Jakob Reichel, Klaus Sengstock: Bose-Einstein Kondens: Det ideelle kvantelaboratoriet . I: Fysikk i vår tid . Volum 34, nummer 4, Wiley-VCH, Weinheim / Berlin 2003, ISSN  0031-9252 , s. 168-176.
• Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger, Martin Weitz: Bose-Einstein kondensat fra lys . I: Phys. Vår tid . teip 42 , nei 2 , 2011, s. 58–59 ( uni-bonn.de [PDF; 196 kB ]). 

weblenker

• Max Planck Institute for Quantum Optics (generelt forståelig beskrivelse, historie)
  • Hva betyr vakuum? , Fordampingskjøling , laserkjøling , bosoner og fermioner , hva er kaldere enn kaldt? , På det kaldeste punktet i universet , Atomers bølgekarakter , Et bur for atomer , Hva er et superatom ? , Skille mellom lignende partikler . Hvordan ser kondensatet ut? ' Hva er det for det? , Laboratoriefoto og litteratur
• Bose-Einstein kondens i en gass. iap.uni-bonn, arkivert fra originalen 13. juli 2013 ; åpnet 20. juni 2016 (illustrative forklaringer). 
  • Hvor kaldt er kaldt ( Memento of 13. July 2013 in the Internet Archive ), Bose-Einstein Condensation - Hva er det? ( Memento fra 13. juli 2013 i Internet Archive ), Magnetic Trap ( Memento fra 2. februar 2013 i Internet Archive ), Fordampingskjøling ( Memento fra 2. februar 2013 i Internet Archive ), Hva kondenserer et Bose-Einstein ser ut som? ( Minne 3. desember 2012 i Internet Archive ),
• Online manus med detaljert teoretisk avledning
• Lydopptak av en generell forelesning av den tyske nobelprisvinneren Wolfgang Ketterle om Bose-Einstein-kondensater (1998) (engelsk)
• Video av Wolfgang Ketterles lesing "Bose-Einstein Condensates: The Coldest Matter in the Universe" - Massachusetts Institute of Technology , 11. oktober 2001
• Bose-Einstein kondensering av fotoner. Institute of Applied Physics ved University of Bonn, åpnet 20. juni 2016 . 

Individuelle bevis

1. ↑ Albert Einstein: Quantum Theory of the Monatomic Ideal Gas (Håndskrevet manuskript, oppdaget i august 2005 ved Lorentz-instituttet for teoretisk fysikk ved det nederlandske universitetet i Leiden ) 1924. Hentet 21. mars 2010.
2. ↑ Albert Einstein: Quantum Theory of the Monatomic Ideal Gas - Second Treatise . I: Møterapporter fra det preussiske vitenskapsakademiet . 1925, s. 3-10.
3. ^ Første Bose-Einstein kondensat med strontiumatomer. I: iqoqi.at. Østerrikske vitenskapsakademiet , 10. november 2009, åpnet 10. september 2016.
4. ↑ Michael Breu: Frossen. 100 atomer ved de laveste temperaturene: kvanteoptikere produserer endimensjonalt Bose-Einstein-kondensat. I: ethz.ch. ETH Zürich , 26. februar 2004, åpnet 6. juni 2010.
5. ↑ Demokritov SO, Demidov VE, Dzyapko O, et al. : Bose-Einstein-kondens av kvasi-likevektsmagnoner ved romtemperatur under pumping . I: Natur . 443, nr. 7110, september 2006, s. 430-3. doi : 10.1038 / nature05117 . PMID 17006509 .
6. ↑ Patryk Nowik-Boltyk: Magnon Bose Einstein kondens er ganske enkelt avbildet. I: uni-muenster.de. Westfälische Wilhelms-Universität , 6. juni 2012, åpnet 10. september 2016.
7. ↑ S. Kraft et al. : Bose-Einstein Kondens av Alkaline Earth Atomer: ⁴⁰ Ca. . I: Phys. Prest Lett. . 103, nr. 13, mai, s. 130401-130404. doi : 10.1103 / PhysRevLett.103.130401 .
8. ↑ Kjølt lys går inn i en ny fase. I: nature.com. Nature News, 24. november 2010, åpnet 25. november 2010 . 
9. ↑ Bonn-fysikere lager en ny lyskilde. I: handelsblatt.com. Handelsblatt , 25. november 2010, åpnet 25. november 2010 . 
10. ↑ Maius - Atom-optiske eksperimenter på sonderaketter ( Memento av den opprinnelige fra 1 august 2017 i Internet Archive ) Omtale: The arkiv koblingen er satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.iqo.uni-hannover.de
11. ↑ V. Schkolnik et al.: Et kompakt og robust diodelasersystem for atom interferometri på en sonderakett , 2016, 1606,0027 arxiv ( online )
12. ↑ Et laboratorium for "kaldeste punkt i rommet" orf.at, 18. mai 2018, åpnet 18. mai 2018.
13. ^ Lansering av romfartøyet "Cygnus" utsatt til ISS orf.at, 19. mai 2018, åpnet 19. mai 2018.
14. ↑ Maike D. Lachmann, Ernst M. Rasel: Quantum uansett baner Earth . I: Natur . 582, nr. 7811, 11. juni 2020, s. 186-187. bibcode : 2020Nature.582..186L . doi : 10.1038 / d41586-020-01653-6 . PMID 32528088 .
15. ↑ David C. Aveline, Jason R. Williams, Ethan R. Elliott, Chelsea Dutenhoffer, James R. Kellogg, James M. Kohel, Norman E. Lay, Kamal Oudrhiri, Robert F. Shotwell, Nan Yu, Robert J. Thompson: Observasjon av Bose - Einstein kondenserer i et jordløyperende forskningslaboratorium . I: Natur . 582, nr. 7811, juni 2020, s. 193-197. bibcode : 2020Nature.582..193A . doi : 10.1038 / s41586-020-2346-1 . PMID 32528092 .
16. ↑ Forskere demonstrerer en superleder som tidligere var ansett umulig (en) . I: phys.org . "Dette er første gang en BEC er eksperimentelt verifisert for å fungere som superleder; Imidlertid kan andre manifestasjoner av materie, eller regimer, også gi opphav til superledelse. Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) -regimet er en slik materieordning at når de avkjøles til nesten absolutt null, reduseres de sammensatte atomer og stiller seg i linje, noe som gjør at elektroner lettere kan passere gjennom. Dette bringer effektivt den elektriske motstanden til slike materialer til null. Både BCS og BEC krever iskaldt forhold, og begge involverer atomer bremser. Men disse regimene er ellers ganske forskjellige. I lang tid har forskere trodd at en mer generell forståelse av superledelse kunne oppnås hvis disse regimene kunne bli funnet å overlappe på en eller annen måte. " 
17. ↑ Takahiro Hashimoto, Yuichi Ota, Akihiro Tsuzuki, Tsubaki Nagashima, Akiko Fukushima, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi, Shik Shin, Kozo Okazaki: Bose-Einsteinatic kondensasjon av tilstanden for forsvinningen indusert superledning . I: Science Advances . 6, nr. 45, 1. november 2020, ISSN  2375-2548 , s. Eabb9052. doi : 10.1126 / sciadv.abb9052 . PMID 33158862 . PMC 7673702 (fulltekst).