Квант. Путеводитель для запутавшихся

Конденсаты Бозе – Эйнштейна

Эд Хиндс, профессор физики, Университет Сассекса

Представьте один атом, запертый в чрезвычайно маленькой чаше. Квантовомеханическая волновая функция описывает поведение атома в ловушке. Волновая функция с разной амплитудой вибрирует в разных местах чаши, и квадрат амплитуды вибрации определяет вероятность обнаружения атома в конкретном месте. Если предположить, что атом не может внедриться в стенку чаши, то волновая функция там будет равняться нулю.

На рисунке выше показаны три самых простых возможных волновых функции с 1, 2 и 3 зонами максимальной вибрации. Чем меньше расстояние между нулями волновой функции, тем выше энергия атома, так что три этих волновых вероятности соответствуют трем низшим энергиям атома в чаше. Различные энергетические состояния обозначаются индексом n = 1, 2, 3 и т. д., называемым квантовым числом. Если в чаше содержится облако атомов, любой из них движется, пребывая в суперпозиции многих различных квантовых состояний. Чем выше температура, тем больше диапазон возможных квантовых состояний. Основное состояние при нормальных условиях занимается редко, поскольку существует слишком много альтернатив.

Но если газ становится достаточно холодным, а плотность атомов – достаточно высокой, может случиться, что основное состояние займут сразу два атома. Если они принадлежат к верному типу атомов (и являются бозонами), результат оказывается довольно примечателен. Волновые функции, описывающие два этих атома, складываются в одну, амплитуда вибрации которой удваивается, а вероятность обнаружения атома в этом месте увеличивается в четыре раза – иными словами, большее количество атомов притягивается в это состояние. Чем больше атомов занимают основное состояние, тем сильнее возрастает амплитуда волновой функции и тем притягательнее это состояние становится для остальных атомов, движущихся в газе. Этот эффект интерференции объясняется конструктивным сложением волн, описывающих каждый атом. В результате возникает лавина, в ходе которой почти все атомы соглашаются занять низшее энергетическое состояние, в то время как остальная энергия в газе распределяется между малым числом оставшихся атомов. Часто они становятся такими высокоэнергетическими, что вылетают из чаши, оставляя едва ли не все атомы в основном состоянии. Этот процесс называется конденсацией Бозе – Эйнштейна, а набор атомов в одном квантовом состоянии носит название конденсата Бозе – Эйнштейна, или бозе-конденсата[72].

Бозе-конденсат обладает интересными свойствами, которые объясняются тем фактом, что все частицы ведут себя одинаково. В жидком гелии около 10 процентов атомов формируют бозе-конденсат, но эта часть жидкости течет без какой-либо вязкости, что делает ее сверхтекучей. Свет лазера представляет собой бозе-конденсат фотонов (фотоны являются бозонами), а это означает, что фотоны в лазерном пучке ведут себя одинаково – этим объясняется и чистый цвет, и прицельность пучка. Конденсация Бозе – Эйнштейна атомного пара впервые была обнаружена в 1995 году в облаках рубидия Эриком Корнеллом и Карлом Уйманом в исследовательском институте JILA и в облаках натрия Вольфгангом Кеттерле в Массачусетском технологическом институте. Подобно лазерному пучку, высвобождаемые из бозе-конденсата атомного пара атомы могут формировать пучок с невероятно точно определенной энергией, направлением и колебательной фазой. Такой пучок называется атомным лазером.