Бозе-Эйнштейновский конденсат (стр. 4 из 4)
Сверхтекучий 3Не. Редкий изотоп 3Не начали исследовать лишь в 1949. В первых экспериментах 3Не не был сверхтекучим при температурах выше 1 К. Однако физики-теоретики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1 К. Благодаря достижениям техники низких температур группе ученых из Корнеллского университета удалось охладить жидкий 3Не до температур ниже 0,003 К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3Не становится сверхтекучим при охлаждении до сверхнизких температур.
Многие свойства сверхтекучего 3Не весьма отличны от свойств 4Не. В 3Не сверхтекучая жидкость состоит из пар атомов 3Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов. Еще одно различие состоит в том, что атомы 3Не имеют магнитный момент, а атомы 4Не – нет. Это означает, что на сверхтекучий 3Не должны действовать внешние магнитные поля. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу сверхтекучести.
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, cостояние, в которое при низкой температуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества. Сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах и сплавах и в некоторых полупроводниковых и керамических материалах, число которых все возрастает. Два из наиболее удивительных явлений, которые наблюдаются в сверхпроводящем состоянии вещества, – исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводнике и выталкивание магнитного потока из его объема. Первый эффект интерпретировался ранними исследователями как свидетельство бесконечно большой электрической проводимости, откуда и произошло название сверхпроводимость.
Исчезновение электрического сопротивления может быть продемонстрировано возбуждением электрического тока в кольце из сверхпроводящего материала. Если кольцо охладить до нужной температуры, то ток в кольце будет существовать неограниченно долго даже после удаления вызвавшего его источника тока. Магнитный поток – это совокупность магнитных силовых линий, образующих магнитное поле. Пока напряженность поля ниже некоторого критического значения, поток выталкивается из сверхпроводника. Твердое тело, проводящее электрический ток, представляет собой кристаллическую решетку, в которой могут двигаться электроны. Решетку образуют атомы, расположенные в геометрически правильном порядке, а движущиеся электроны – это электроны с внешних оболочек атомов. Поскольку поток электронов и есть электрический ток, эти электроны называются электронами проводимости. Если проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, то каждый электрон движется независимо от других. Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагирует также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (0 К, –273,16° С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, и делает сверхпроводимость столь интересным явлением.
Обнаружено новое состояние вещества: Бозе-Эйнштейновский конденсат
Лазерный луч отличается от света, испускаемого обычной лампочкой по нескольким параметрам. В лазере все световые частицы имеют одинаковую энергию и колеблются вместе (излучение когерентно и монохроматично). Заставить вещество вести себя подобным контролируемым образом долгое время являлось задачей для исследователей. Нобелевские лауреаты этого года добились успеха: они заставили атомы "петь в унисон", открыв таким образом новое состояние вещества - Бозе-Эйнштейновский конденсат (BEC).
В 1924 г. индийский физик Бозе сделал важные теоретические расчеты, касающиеся частиц света. Он послал свои результаты Эйнштейну, который расширил теорию на атомы определенного типа. Эйнштейн предсказал, что если газ из таких атомов будет охлажден до очень низкой температуры, все атомы внезапно окажутся в состоянии с наименьшей возможной энергией. Процесс похож на образование капель жидкости из газа, поэтому он и был назван конденсацией.
Должно было пройти 70 лет, прежде чем в 1995 г. Нобелевским лауреатам удалось получить вещество в этом экстремальном состоянии. Корнелл и Виман получили чистый конденсат из около 2000 атомов рубидия при температуре 20 нанокельвинов, то есть 0.00000002 градуса выше абсолютного нуля.
Независимо от работы Корнелла и Вимана, Кеттерле осуществил соответствующие эксперименты с атомами натрия. Конденсат, который ему удалось получить, содержал большее количество атомов и мог использоваться для дальнейшего исследования этого явления. Используя два отдельных конденсата, которые имели возможность расширяться один в другой, он получил четкую интерференционную картину. Подобную картину образуют волны на воде, если одновременно бросить в воду два камня. Эксперимент показал, что поведение атомов в конденсате полностью согласовано. Кеттерле также получил маленькие "капли конденсата", падающие под действием силы тяжести. Это можно рассматривать как примитивный "лазерный луч", использующий вещество вместо света.
Представляют интерес предположения о сферах применения BEC. Новый способ "контроля" за веществом с помощью этой технологии может найти революционные применения в таких областях, как прецизионные измерения и нанотехнология.
Управление бозе-эйнштейновским конденсатом
Группой исследователей из Германии под руководством J.Reichel разработана методика получения бозе-эйнштейновского конденсата на плоской поверхности и перемещения его вдоль поверхности с помощью электрических полей. На диэлектрическую подложку литографическим способом были нанесены два параллельных золотых проводника шириной 50 мкм. На поверхность этого устройства, называемого чипом, из обычной магнитооптической ловушки поступали атомы рубидия. Магнитное поле тока, текущего через проводники чипа, создавало микроловушку, в которой атомы рубидия охлаждались переменным электромагнитным полем до состояния бозе-эйнштейновского конденсата. Путем пропускания через проводники электрических импульсов удавалось перемещать конденсат вдоль поверхности чипа на расстояния до 1,6 мм. Оказалось, что близость конденсата к поверхности не нарушает когерентности состояний атомов, хотя ранее считалось, что в таких условиях когерентность должна разрушиться.
9 октября 2001 г.
Шведская Королевская Академия Наук решила присудить Нобелевскую Премию по физике 2001 года
"за достижение Бозе-Эйнштейновской конденсации в разреженных газах щелочных элементов, и за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов".
совместно
 |  |  |
| Эрику Б. Корнеллу | Вольфгангу Кеттерле | Карлу Е. Виману |