Kondensat Bosego-Einsteina — piąty stan skupienia

Co się właśnie stało?

Schłodziliśmy chmurę atomów bozonowych daleko poniżej temperatury krytycznej $T_c$. Zamiast poruszać się chaotycznie każdy na własną rękę, atomy „zlały się" w jeden wspólny, najniższy energetycznie stan kwantowy — to właśnie kondensat Bosego-Einsteina.

Frakcja kondensatu:

— N₀ to liczba atomów w kondensacie, N to liczba wszystkich atomów. Im dalej poniżej $T_c$, tym większa frakcja atomów „wpada" do wspólnego stanu podstawowego.

Dlaczego to się dzieje dopiero blisko zera?

Każdemu atomowi odpowiada fala materii o długości de Broglie'a, która rośnie, gdy atom zwalnia:

Gdy $T$ spada do nanokelwinów, $\lambda_{dB}$ staje się porównywalna z odległością między atomami — ich fale materii zaczynają się nakładać. Atomy tracą indywidualną tożsamość i opisuje je jedna, wspólna funkcja falowa.

Dlaczego to piąty stan skupienia materii?

To nie gaz, ciecz, ciało stałe ani plazma — kondensat BE to makroskopowy obiekt kwantowy: miliony atomów zachowują się jak jedna „superatomowa" fala, ze spójnością fazową i właściwościami nadciekłości.

Nobel 2001:

Pierwszy kondensat Bosego-Einsteina uzyskali w 1995 roku Eric Cornell i Carl Wieman (atomy rubidu) oraz niezależnie Wolfgang Ketterle (atomy sodu), łącząc chłodzenie laserowe z chłodzeniem odparowaniowym. Za to osiągnięcie otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 2001 roku. Dziś kondensaty BE wykorzystuje się w zegarach atomowych i precyzyjnych czujnikach kwantowych.

Po co Ci to na maturze:

To rozszerzenie tematów kinetyczno-molekularnej teorii gazów oraz dualizmu korpuskularno-falowego (de Broglie). Chwyt: sprawdź, czy $T$ jest powyżej, czy poniżej $T_c$ — to rozstrzyga, czy opisuje gaz rozkład Maxwella-Boltzmanna, czy pojedyncza funkcja falowa kondensatu.

Zapamiętaj: kondensacja Bosego-Einsteina zachodzi dopiero poniżej temperatury krytycznej T_c, bliskiej zera bezwzględnego — to piąty stan skupienia materii, w którym atomy tracą indywidualną tożsamość i zachowują się jak jedna fala kwantowa.