Екзотичното пето състояние на материята е създадено на Международната космическа станция

През юли 2018 г. НАСА обяви невероятно постижение.

Бе създадено най-студеното място в космоса - точно там, на Международната космическа станция на орбита около Земята. Атоми на метала рубидий бяха охладени до температури около 100 нанокелвина - една десетмилионна част от един Келвин над абсолютната нула.

Така благодарение на микрогравитацията на космоса бе генерирано и изучено петото състояние на материята с помощта на методи, които са невъзможни на Земята. А на 11 юни 2020 г. резултатите, които могат да променят разбирането ни за физиката на фундаментално ниво, са публикувани в Nature.

Проучването показа, че астронавтите са успели да генерират петото състояние на материята - Бозе-Айнщайнов кондензат, който се формира от бозони, охладени до температури близо до абсолютната нула (но не достигат абсолютна нула, при която атомите спират да се движат). Това кара те да потъват до най-ниското си енергийно състояние, движейки се изключително бавно и се сближат достатъчно плътно, за да се припокрият - създавайки облак с висока плътност на атоми, който действа като един „супер атом“ или материална вълна.

Тъй като квантовата механика - в която всяка частица може да бъде описана като вълна - не е лесно да се наблюдава в атомната скала, кондензатите на Бозе-Айнщайн позволяват на учените да изучават квантовото поведение в много по-голям мащаб, вместо да се опитват да изучават отделни атоми.

Бозе-Айнщайнови кондензати могат да бъдат създадени и тук на Земята като се използва комбинация от лазерно охлаждане, магнитни полета и охлаждане чрез изпаряване. При последния метод атомите се държат в магнитен капан и радиочестотно излъчване се използва за „изпаряване“ на частиците с най-висока енергия, оставяйки по-студените и бавни атоми, които да образуват кондензат.

След като това се случи, капанът се изключва и учените могат да извършват експерименти. Но трябва да действат бързо - естествената отблъскваща сила между атомите ще доведе до разширяване и разсейване на облака. Заради гравитацията този процес се случва доста бързо - само няколко десетки милисекунди.

^{Свободно разширение на кондензата Бозе-Айнщайн в земни условия при наличие на гравитация. Кредит: Dr. David C. Aveline, CAL Ground Testbed, Jet Propulsion Laboratory}

Затова изследователите изпращат оборудване, известно като лаборатория „Cold Atom“, на Международната космическа станция.

То позволява на астронавтите да подготвят Бозе-Айнщайнови кондензати и да измерват как условията на микрогравитация променят свойствата на материята в сравнение със Земята. И откриват ефекти, които не могат да настъпят в условията на земната гравитация.

^{Това са членовете на екипа на лаборатория „Cold Atom“ на НАСА. На снимката отляво надясно, Анита Сенгупта, Итън Елиът, Роб Томпсън и Маркус Круцик. Кредит: NASA/JPL}

Например експериментаторите наблюдават увеличение на броя на атомите в състояние на Бозе-Айнщайнов кондензат близо три пъти. Чрез прилагането на различни градиенти на магнитното поле те потвърждават, че приблизително половината от атомите са в магнитно нечувствително състояние, образувайки облак около магнитния капан.

Вълновите свойства на Бозе-Айнщайновите кондензати също са потенциално полезни за атомните интерферометри, които могат да бъдат използвани за измерване на основни физични константи.

Освен това изследователите пишат, че кондензатите са били в състояние да достигнат дори по-ниски температури. Тъй като условията стават по-студени, екзотичните квантови ефекти стават по-видими, което позволява на изследователите да ги разбират по-добре и потенциално да хвърлят светлина върху някои от най-фундаменталните загадки на физиката.

Този експеримент е само част от многото пионерски работи, които се правят на МКС.

Справка: Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab
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
Nature volume 582, pages 193–197(2020) DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1

Източник: We've Now Been Able to Probe a Cloud of The Fifth State of Matter in Space, ScienceAlert

^{Кредит: NASA/JSC}

Още малко за Бозе-Айнщайновия кондензат

Едни от най-фантастичните явления, които ни показа физиката напоследък, са свръхпроводимостта и свръхфлуидността. Свойството на свръхпроводимите материали да пренасят ток с нулеви загуби, а свръхфлуидността - течности да се движат без триене, ще открият невероятни възможности за приложения - от евтин ток до ховърбордове.

Свръхфлуидността и свръхпроводимостта са открити в лаборатория и все още не са наблюдавани в естествени условия, което е нормално, защото в достъпните ни на Земята вещества свръхфлуидността и свръхпроводимостта възникват само при много ниски температури.

Но не бива да се разглеждат свръхпроводимостта или свръхфлуидността преди една по-обща концепция - Бозе-Айнщайновия кондензат.

Да "замръзнеш" на място

Анализирайки поведението на газови молекули при много ниска температура, Айнщайн стигнал до извода: намаляването на температурата на газа в крайна сметка ще доведе до това, че частиците ще спрат да се движат, ще "замръзнат" на място. Това явление той нарича кондензация, а газът в това състояние - кондензат.

Знаете, че кондензация се нарича явлението, когато газовите молекули се обединяват и "се кондензират", защото губят енергия, забавят се и се събират в течност. Така водните пари се кондензират под капака на тенджера с вряща вода, защото се охлаждат върху повърхността на метала и се превръщат отново в течност. Това се случва и на Бозе-Айнщайновия кондензат при супер ниски температури, макар че тези явления са доста различни, тъй като при Бозе-Айнщайновия кондензат това се случва в пространството на импулсите, а разпределението на частиците в координатното пространство не се променя.

Бозе-Айнщайновият кондензат е по същество пето състояние на материята след твърдо, течно, газообразно и плазма.

Свойства на кондензата на Бозе-Айнщайн

На пръв поглед изглежда, че в няма нищо необичайно - всеки знае, че температурата е свързана със скоростта на молекулите и е нормално при много ниски температури, те почти напълно да спрат да се движат. Но от гледна точка на квантовата механика, частиците на кондензата с една и съща нулева скорост ще са практически неразличими, те ще имат една и съща маса, енергия, заряд и всякакви други параметри. Тези частици - бозоните - са с целочислен или нулев спин - такива са фотоните, носители на електромагнетизма, векторните бозони на електрослабите взаимодействия W ⁺ , W ^- и Z, глуоните, които са носители на силното взаимодействие и определят привличането помежду си кварките. Известният бозон на Хигс, който регистрира Големият адронен колайдер, също принадлежи към тази категория на елементарни частици.

Човекът, дал името на частиците и кондензата е индиецът Сатиендра Нат Бозе и е един от основоположниците на квантовата механика.

Една частица е бозон, ако нейният спин - собсвеният момент на импулса й - е цяло число (по-подробно в "Бозоните и фундаменталните взаимодействия"). Другият вид елементарни частици са фермионите - те имат полуцял спин (½, 1½ и т.н.).

^{Представете си две проби, едната съдържа газ от бозони, а другата съдържа газ невзаимодействащи фермиони.Когато температурата спадне близо до абсолютната нула, газът от бозони се свива. В енергийния кладенец всички бозони могат да заемат едно и също ниско ниво на енергия, образувайки Бозе-Айнщайнов кондензат. Фермионите не могат да достигнат това състояние, тъй като две частици с еднакви квантови числа не могат да заемат едно и също ниво на енергията, заради принципа на Паули: два или повече бозони могат да заемат едно и също квантово състояние.}

Вълновата функция описваща система от бозони е симетрична откъм размяна на частици. Поради тази симетрия, бозоните не се подчиняват на Принципа на Паули, и броят бозони, които могат едновременно да са в дадено квантово състояние, е неограничен.

Бозе-Айнщайновият кондензат е по същество пето състояние на материята след твърдо, течно, газообразно и плазма. Свойствата на кондензатите са доста странни. Те включват:

• Състояние на един-единствен супер атом

При температури близо до абсолютната нула, атомите са в най-ниското си енергийно ниво. При тези температури квантово-механични ефекти стават забележими. В резултат на вероятностното им позициониране, атомите ще са като размити топки.

Условия на съществуване  С понижаване на температурата, топките все повече ще се размиват и ще стават все по-малко определени. Атомите ще са едновременно на едно и също място (за разлика от фермионите с полуцял спин, подчиняващи се на принципа на Паули) и всеки от тях ще "се размазва" по цялата област на пространството. Тогава атомите ще загубят своята индивидуална идентичност - всички те ще имат едно и също квантово състояние и ще се обединят в един-единствен "супер атом".

Фазовият преход от обикновен, конвенционален атомен газ към Бозе-Айнщайновия кондензат се случва, когато се постигне критична фазова плътност, когато плътността на частиците с почти еднакъв импулс е достатъчно голяма.

По идея на: people.du.ac.in

Същността на кондензата на Бозе -Айнщайн се състои в прехода на известно количество частици бозонен газ в състояние с нулев импулс (тоест - без движение) при някаква критична температура T_C, близка до абсолютната нула.

Класическата механика е приложима за движение на газовите частици ако r>>λ. Влиянието  на идентичността на частиците е забележимо, когато средното разстояние между частиците r стане сравнимо с дължината на вълната на дьо Бройл: λ = h / m.v (m - масата на частицата, v - скоростта му, h - константата на Планк) на топлинното движение на частиците. Условието е: N^-1/3 ~ r ~ λ , където N е обемната концентрация на частици

В един момент, при някаква критична температура T_C, ще се достигне положение, при което размиването на отделните атоми напълно ще се припокрие. Тази критична температура T_C, може да се изчисли с помощта на статистиката Bose-Айнщайн.

• Едно и също най-ниско енергийно състояние

Най-очевидното свойство на кондензата на Бозе -Айнщайн е, че голяма част от неговите частици заемат едно и също най-ниско енергийно състояние. В атомните кондензати това може да бъде потвърдено чрез измерване на разпределението на скоростта на атомите в газа.

• Кохерентност

Kохерентност означава съгласуваност,  синхронност между вълновите процеси като разликата във фазите им е постоянна , т.е имат еднаква честота. Може да се каже, че кондензатът на Бозе-Айнщайн се различава от обикновен охладен газ така, както лазерен лъч от светлината на крушка. Поради това свойство е възможно да се разглежда целия кондензат като една голяма вълна, аналогично на светлинна вълна, произведена от лазер (да не забравяме, че фотоните са бозони). Това свойство следва от състоянието на обединение в един-единствен суператом.

В кондензата на Бозе-Айнщайн квантовата кохерентност на вълните на дьо Бройл е на микроскопично ниво. Кондензатът се описва от вълнова функция, кохерентна за целия обем. При Бозе-Айнщайновият кондензат става спонтанно нарушаване на симетрията на инвариантността на състоянието на системата спрямо калибровъчните трансформации; състояние с крайна плътност на кондензата не е калибровъчно инвариантно.

С вълните на кондензата на Бозе -Айнщайн се случват същите явления като със светлинните вълни. Може, например два кондензата да интерферират един с друг.

Когато се припокрият два облака от бозонни кондензирани атоми плътностите им не просто се сумират, а ​​се получава картина на пространствена плътност с периодично подредени максимуми и минимуми по аналогия с два интерфериращи се светлинни потока.

Илюстрация: uni-muenster.de

• Повишена оптична плътност

Кондензатът на Бозе-Айнщайн може да има много висок градиент в оптичната плътност. Светлината остава в рамките на кондензата и има неочаквано ниска скорост. Въпреки, че се движи с нормална скорост между атомите, тя се абсорбира от атомите за дълго време, преди отново да се излъчи. Повишената оптична плътност на кондензата е такава, че е достатъчна да се забавят фотоните до скоростта на човешки ход.

Въртящ се Бозе-Айнщайнов кондензат може да бъде използван като модел за черна дупка, която позволява на светлината да влиза, но не и да се измъкне.

• Други свойства

В присъствието на слабо магнитно поле формата на Бозе-Айнщайновия кондензат се променя.

Важен ефект, който може да се наблюдава в Бозе Айнщайн кондензати, е квантово-механичното тунелиране . Това означава, че една малка част от кондензата може да преодолее бариера, която не може да бъде преодоляна от класическите частици.

Това състояние поражда и други квантово-механични ефекти като ефекта на Джоузефсън, на името на британския физик Брайън Дейвид Джоузефсън (Brian David Josephson). Този ефект се случва, когато два макроскопски квантови обекти (свръхпроводници) са разделени от "слабото звено" - диелектрик - бариера, която е достатъчно висока, че частиците на двата кондензата да не могат да я пресекат по класически начин, но достатъчно ниска, че част от кондензата да може да тунелира.

Синтез на кондензата на Бозе-Айнщайн

70 години бяха необходими да се реализира концепцията на Бозе -Айнщайновия кондензат. Той бе синтезиран за първи път от Ерик Корнел (Eric Allin Cornell) и Карл Уиман (Carl Edwin Wieman) в Обединения институт за лабораторна астрофизика (JILA), Боулдър, Колорадо през 1995 година.

Изследователите използват газ от рубидиеви атоми, охладени до 170 нанокелвина (1,7·10⁻⁷ K), използвайки лазерна техника и допълнително изпарително охлаждане.

3D графика, която показва три последователни етапа със все по-голяма плътност от ляво на дясно и съответно температури: 400nK, 200nK и 50nK. Вижда се, че атомите се кондензират от по-малко плътните червени, жълти и зелени площи в много по-плътните сини до бели зони. Графика: NIST Image

Частиците, състоящи се от фермиони, могат да бъдат както фермиони, така и бозони (т.нар. "съставни бозони") - в зависимост от сумарния спин на съставната частица.

Сега физиците смятат, че Бозе-Айнщайновия кондензат (BEC) и явлението свръхпроводимост представляват двата края на един непрекъснат процес на квантовомеханично поведение.

Още по темата

17/06/2019

Физика

Квантовите частици са безсмъртни. Те осцилират в цикъл на разпад и прераждане

13/06/2019

Космос

Хокинг бе прав: Черните дупки могат да се изпаряват според ново изследване

25/04/2019

Физика

Свръхфлуидно твърдо тяло. Получени са доказателства за това най-ново екзотично състояние на материята

19/10/2018

Космос

Извършен е "най-студеният" експеримент в космоса