Un Bose-Einstein (BEC) condensado es las declaraciones formadas por un sistema de los bosones confinados en un potencial externo y refrescados a las temperaturas muy cerca al cero absoluto °C) 0 Kelvin o -273. Bajo tales condiciones sometidas a sobrefusión, una fracción grande de los átomos se derrumba en el estado de Quantum más bajo del potencial externo, en el cual los efectos de quántum del punto llegan a ser evidentes en una escala macroscópica.

Estas declaraciones primero fueron predichas como consecuencia de los mecánicos de Quantum por el Albert Einstein, construyendo sobre el trabajo Satyendra Nath Bose en 1925, por lo tanto el nombre. Setenta años más tarde, el primer tal condensado fue producido por el Eric Cornell y el Carl Wieman en 1995 en la universidad de Colorado en NIST - laboratorio de Boulder JILA, usar un gas de los átomos del rubidio refrescados al nanokelvin (nK) de 170 . El Eric Cornell, el Carl Wieman y el Wolfgang Ketterle en MIT fueron concedidos el Premio Nobel 2001 Del en la física en Estocolmo, Suecia.

Introducción

" Condensates" están extremadamente - bajo - los líquidos de la temperatura con las características que no se entienden actual totalmente, por ejemplo espontáneo salir a raudales de su envase. El efecto es la consecuencia de los mecánicos de quántum, que indica que los sistemas pueden adquirir solamente energía en pasos discretos. Si un sistema es en una tan baja temperatura que está en el estado de la energía más baja, es no más posible que reduzca su energía, no incluso por la fricción . Sin la fricción, el líquido superará fácilmente la gravedad debido a la adherencia entre el líquido y la pared del envase, y tomará la posición más favorable, todo alrededor del envase.

La condensación de Bose-Einstein es un fenómeno exótico del quántum que fue observado en gases atómicos diluídos por primera vez en 1995, y ahora es el tema del estudio teórico y experimental intenso.

Teoría

La reducción de átomos por medio de los aparatos de enfriamiento produce un estado de quántum singular conocido como un Bose condensado o Bose-Einstein condensado. Este fenómeno fue predicho en 1925 generalizando el trabajo de Satyendra Nath Bose sobre los mecánicos estadísticos de los átomos (masivos) (sin masa) de los fotones . (El manuscrito de Einstein, creído para ser perdido, fue encontrado en una biblioteca en la universidad de Leiden en 2005.) El resultado de los esfuerzos de Bose y de Einstein es el concepto de un gas de Bose, gobernado por las estadísticas de Bose-Einstein, que describe la distribución estadística de las partículas idénticas con la vuelta del número entero, ahora conocida como bosones . Las partículas de Bosonic, que incluyen el fotón así como los átomos tales como helium-4, se permiten compartir estados de quántum con uno a. Einstein demostrado que los átomos bosonic de enfriamiento a una temperatura muy baja harían las caer (o el " condense") en el estado de quántum accesible más bajo, dando por resultado una nueva forma de materia.

Esta transición ocurre debajo de una temperatura crítica, que para un gas tridimensional uniforme consistir en partículas no-que obran recíprocamente sin grados de libertad internos evidentes se da cerca:

T_c= \ ido (\ frac {n} {\ zeta (3/2)} \ derecho) ^ {2/3} \ frac {h^2} {k_B de 2 \ pi m}

donde:



Discusión de Einstein

Considerar una colección de partículas noninteracting de N que puedan cada uno estar en uno de dos estados de quántum, |0> y |1>. Si los dos estados son iguales en energía, cada diversa configuración es igualmente probable.

Si podemos decir qué partícula es cuál, hay diversas configuraciones de 2^N, puesto que cada partícula puede estar adentro |0> o |1> independiente. En casi todas las configuraciones, alrededor la mitad de las partículas está adentro |0> y la otra mitad adentro |1>. El equilibrio es a efecto estadístico--- el número de configuraciones es el más grande cuando son las partículas dividido igualmente.

Si las partículas son indistinguibles, sin embargo, hay solamente N+1 diferentes configuraciones. Si hay partículas de K en estado |0>, allí son partículas de N-K en estado |1>. Si cualquier partícula particular está en estado |0> o en estado |1> no puede ser resuelto, así que cada valor de K determina un estado de quántum único para el sistema entero. Si todos estos estados son igualmente probables, no hay estadístico extensión hacia fuera--- está apenas como probablemente para que todas las partículas asistan |0> en cuanto a las partículas a ser prueba bipartida y medio.

El suponer ahora que la energía del estado |1> es levemente mayor que la energía del estado |0> por una cantidad E. En la temperatura T, una partícula tendrá una poca probabilidad a estar en estado |1> por el exp (- E/T). En el caso distinguible, la distribución de la partícula será predispuesto levemente hacia estado |0> y la distribución serán levemente diferentes de a medias. Pero en el caso indistinguible, puesto que no hay estadístico la presión hacia números iguales, el resultado más probable es que todas las partículas derrumbarse en estado |0>.

En el caso distinguible, para N grande, la fracción en estado |0> puede ser computado. Él está igual que la moneda que mueve de un tirón con una moneda que tenga p=exp de la probabilidad (- E/T) aterrizar colas. La fracción de cabezas es 1 (1+p), que es una función lisa de p, de energía.

En el caso indistinguible, cada valor de K es un solo estado, que tiene sus los propios probabilidad separada de Boltzmann. La distribución de probabilidad es tan exponencial: del

l \, P (e^ de K)= C {- KE/T} = p^K de C

Para N grande, la normalización C constante está (1-p). El número total previsto de las partículas que no están en el estado de la energía más baja, en el límite que el \ el scriptstyle N \ rightarrow \ infty, es iguales al \ al scriptstyle \ al sum_ {n>0} C n p^n=p/1-p . No crece cuando N es grande, él apenas se acerca a un constante. Esto será una fracción insignificante del número total de partículas. Una colección de bastantes partículas del bose en equilbrium termal estará tan sobre todo en el estado de tierra, con solamente algunos en cualquier estado emocionado, ninguna materia cómo es pequeño la diferencia de la energía.

Ahora considerar un gas de las partículas, que pueden estar en diversos estados del ímpetu etiquetados |k>. Si el número de partículas es menos que el número de estados termal accesibles, para las temperaturas altas y las bajas densidades, las partículas todas estarán en diversos estados. En este límite el gas es clásico. Mientras que la densidad aumenta o la temperatura disminuye, el número de estados accesibles por partícula llega a ser más pequeño, y en un cierto punto más las partículas serán forzadas en un solo estado que el máximo permitido para ese estado por la carga estadística. Desde aquí, cualquier partícula adicional agregada entrará estado de tierra.

Para calcular la temperatura de transición en cualquier densidad, integrar sobre todo el ímpetu indica la expresión para el número máximo de las partículas emocionadas p/1-p: del

l \, N = V \ internacional {d^3k \ sobre (2 \ pi) ^3} {p (k) \ sobre 1 p (k)} = V \ internacional {d^3k \ sobre (2 \ pi) ^3} {1 \ sobre el e^ {k^2 \ sobre 2mT} - 1} del de \, p (e^ del k)= {- k^2 \ sobre 2mT}

El integral, cuando está evaluado, con los factores del k_B y de \ del scriptstyle \ hbar restaurado por análisis dimensional, da la fórmula de la temperatura crítica del sección precedente. Puede ser visto que este integral define el número de la temperatura crítica y de la partícula que corresponde a las condiciones del potencial químico cero ( \ mu=0 en la distribución de las estadísticas de Bose-Einstein).

La ecuación Gruesa-Pitaevskii

El estado del BEC se puede describir por el wavefunction del condensado \ PSI (\ vec {r}) . Para un sistema de esta naturaleza, |\ PSI (\ vec {r})|^2 se interpreta como la partícula la densidad, así que el número total de átomos es el N= \ internacional d \ vec {r} |\ PSI (\ vec {r})|^2

Con tal que esencialmente todos los átomos estén en el condensado (es decir, tener condensado al estado de tierra), y tratando los bosones usar la teoría de campo malo, la energía (e) se asoció al estado el \ PSI (\ vec {r}) es: E= \ internacional del

l d \ vec {} \ left de r

Reduciendo al mínimo esta energía con respecto a variaciones infinitesimales adentro \ PSI (\ vec {r}) , y tenencia el número de átomos constante, producciones la ecuación Gruesa-Pitaevski (GPE) (también a ecuación no linear de Schrödinger): i del

l \ hbar \ frac {\ parcial \ PSI (\ vec {r})}{\ t parcial} = \ (- \ frac {\ hbar^2 \ nabla^2} {los 2m} +V (\ vec {r}) +U_0 dejado|\ PSI (\ vec {r})|^2 \) derecho \ PSI (\ vec {r})

donde:



Descubrimiento

En 1938, el Pyotr Kapitsa, el Juan Allen y el Don Misener descubrieron que el Helium-4 se convirtió en una nueva clase de líquido, ahora conocida como superfluido, en las temperaturas debajo 2.17 Kelvin (punto de la lambda). El helio superfluido tiene muchas características inusuales, incluyendo la viscosidad cero (la capacidad de fluir sin energía de disipación) y la existencia de los vórtices quantized . Fue observado rápidamente que la superfluidez era debido a la condensación de Bose-Einstein de los átomos helium-4, que son bosones. De hecho, muchas de las características del helio superfluido también aparecen en los condensados gaseosos de Bose-Einstein creados por Cornell, Wieman y Ketterle (véase abajo). Helium-4 superfluido es un líquido algo que un gas, así que significa que las interacciones entre los átomos son relativamente fuertes; la teoría original de la condensación de Bose-Einstein se debe modificar pesadamente para describirlo. La condensación de Bose-Einstein sigue siendo, sin embargo, fundamental a las características superfluidas de helium-4.

El primer " pure" El condensado de Bose-Einstein fue creado por el Eric Cornell, el Carl Wieman, y los compañeros de trabajo en el JILA el el 5 de junio, 1995 . Hicieron esto refrescando un vapor diluído que consistía en los átomos aproximadamente 2000 rubidium-87 al nK below 170 usar una combinación de laser que refrescaba (una técnica que ganó su Steven Chu de los inventores, Claude Cohen-Tannoudji, y Guillermo D. Phillips el Premio Nobel Del 1997 en la física ) y la refrigeración por evaporación magnética . Cerca de cuatro meses más adelante, un esfuerzo independiente llevado por el Wolfgang Ketterle en MIT creó un condensado hecho sodium-23 . El condensado de Ketterle tenía alrededor de ciento por más átomos, permitiendo que él obtenga varios resultados importantes tales como la observación de interferencia mecánica del quántum entre dos diversos condensados. Cornell, Wieman y Ketterle ganaron el Premio Nobel 2001 Del en la física para su logro.

La condensación de Bose-Einstein también se aplica al Quasiparticles en sólidos. Un Magnon en un antiferromagnet lleva la vuelta 1 y obedece así las estadísticas de Bose-Einstein. La densidad de magnons es controlada por un campo magnético externo, que desempeña el papel del potencial químico del magnon. Esta técnica proporciona el acceso a una amplia gama de las densidades del bosón del límite de un gas diluído de Bose a el de un líquido de Bose fuerte que obra recíprocamente. El ordenar magnética observado actualmente la condensación es el análogo de la superfluidez. En Bose la condensación 1999 de magnons fue demostrada en el antiferromagnet TlCuCl3. La condensación fue observada en las temperaturas tan grandes como 14 K. Una tan alta temperatura de transición (concerniente a el de gases atómicos) es debido a una mayor densidad realizable con los magnons y una masa más pequeña (áspero igual a la masa de un electrón). En 2006, la condensación de magnons en ferromagnets incluso fue demostrada en la temperatura ambiente,, donde los autores utilizaron técnicas de bombeo.

gráfico de los datos de la Velocidad-distribución

En la imagen que acompaña este artículo, los datos de la velocidad-distribución confirman el descubrimiento del condensado de Bose-Einstein fuera de un gas de los átomos del rubidio . Los colores falsos indican el número de átomos a cada velocidad, con el rojo siendo los pocos y el ser blanco la mayoría. Las áreas que aparecen blancas y azules claras están en las velocidades más bajas. El pico no es infinitamente estrecho debido a el principio de incertidumbre de Heisenberg : puesto que los átomos se atrapan en una región particular de espacio, su distribución de la velocidad posee necesario cierta anchura mínima. Esta anchura es dada por la curvatura del potencial magnético de la interceptación en la dirección dada. Las direcciones más firmemente confinadas tienen anchuras más grandes en la distribución balística de la velocidad. Esta anisotropía del pico a la derecha es un efecto puramente quántum-mecánico y no existe en la distribución termal a la izquierda. Este gráfico famoso sirvió como cubrir-diseña para la física termal 1999 del del libro de textos de Rafael Baierlein.

Vórtices

Como en muchos otros sistemas, los vórtices pueden existir en los BECs. Éstos pueden ser creado, por ejemplo, “revolviendo” el condensado con los lasers, o girando la trampa que confina. El vórtice creado será a Vórtice de Quantum. Estos fenómenos son permitidos para por término no linear en el GPE (el |\ PSI (\ vec {r})|término de ^2, eso es). Como los vórtices deben haber cuantificado el ímpetu angular, el wavefunction estará de la forma \ PSI (\ vec {r}) = \ e^ de la phi (\ rho, z) {i \ ana \ theta} donde el \ rho, z y el \ theta están como en El sistema coordinado cilíndrico, y el \ ell es número angular. Para determinar el \ la phi (\ rho, z), la energía del \ PSI (\ vec {r}) se debe reducir al mínimo, según \ PSI del constreñimiento (\ vec {r}) = \ e^ de la phi (\ rho, z) {i \ ana \ theta} . Esto se hace generalmente de cómputo, no obstante en un medio uniforme la forma analítica \ phi= \ frac del

l {nx} {\ raíz cuadrada {2+x^2}}

donde:



Características inusuales

La experimentación adicional por el equipo JILA en 2000 destapó una característica hasta ahora desconocida de los condensados de Bose-Einstein. Cornell, Wieman, y sus compañeros de trabajo utilizaron original el rubidio -87, un isótopo cuyos átomos se rechazan naturalmente, haciendo un condensado más estable. La instrumentación del equipo de JILA ahora tenía mejor control sobre el condensado así que la experimentación fue hecha en naturalmente el que atraía los átomos de otro isótopo del rubidio, rubidium-85 de (teniendo longitud de dispersión negativa del átomo-átomo). Con una resonancia llamada de proceso de Feshbach que implicaba un barrido del campo magnético que causaba colisiones del tirón de vuelta, los investigadores de JILA bajaron el característico, las energías discretas en las cuales los átomos del rubidio enlazan en las moléculas que hacen sus átomos Rb-85 repulsivos y que crean un condensado estable. El tirón reversible de la atracción a la repulsión proviene interferencia del quántum entre los átomos condensados que se comportan como ondas. Cuando los científicos levantaron la fuerza de campo magnético aún más, el condensado invirtió repentinamente de nuevo a la atracción, imploded y se encogió más allá de la detección, y después estalló, descargando cerca de dos tercios de sus 10.000 o tan los átomos. Alrededor la mitad de los átomos en el condensado parecía haber desaparecido del experimento en conjunto, no siendo considerado en el remanente frío o la nube de extensión del gas. Carl Wieman explicó que bajo teoría atómica actual esta característica del condensado de Bose-Einstein no podría ser explicada porque el estado de energía de un átomo cerca de cero absoluto no debe ser bastante para causar una implosión; sin embargo, las teorías subsecuentes del significar-campo se han propuesto para explicarlo. Porque las explosiones de la supernova son implosiones, la explosión de un condensado de Bose-Einstein que se derrumbaba fue nombrada " Bosenova ", un retruécano en la Nova de Bossa del estilo musical.

Los átomos que parecen haber desaparecido casi ciertamente todavía existen en una cierta forma, apenas no en una forma que se podría detectar en ese experimento. Dos posibilidades probables son que formaron las moléculas que consistían en dos átomos enlazados del rubidio, o que recibieron de alguna manera bastante energía para irse volando rápidamente bastante que salieron de la región de la observación antes de que podrían ser observadas.

Investigación actual

Comparado a más estados común-encontrados de la materia, los condensados de Bose-Einstein son extremadamente frágiles. La interacción más leve con el mundo exterior puede ser bastante para calentarlos más allá del umbral de la condensación, formando un gas normal y perdiendo sus características interesantes. Es probable ser una cierta hora antes de que se desarrolle cualquier uso práctico.

Sin embargo, él ha demostrado ser útil en la exploración de una amplia gama de preguntas en la física fundamental, y los años puesto que los descubrimientos iniciales de los grupos de JILA y del MIT han considerado una explosión en actividad experimental y teórica. Los ejemplos incluyen los experimentos que han demostrado interferencia entre los condensados debido a la dualidad de la Agitar-partícula, el estudio de la superfluidez y los vórtices cuantificados, y la reducción de los pulsos ligeros de a las velocidades muy bajas usar la transparencia electromágnetico inducida . Los vórtices en los condensados de Bose-Einstein son también actual el tema de la análogo-gravedad investigación, estudiando la posibilidad de modelar los calabozos y su fenómenos relacionados en tales ambientes en el laboratorio. Experimentalists también ha realizado el " lattices" óptico;, donde el patrón de interferencia de los lasers traslapados proporciona un potencial periódico para el condensado. Éstos se han utilizado para explorar la transición entre de Mott un aislador superfluidos y, y pueden ser útiles en estudiar la condensación en menos de tres dimensiones, por ejemplo el gas de Bose-Einstein de Tonks-Girardeau.

Los condensados de Bose-Einstein integrados por una amplia gama de los isótopos se han producido.

Experimentos relacionados en los fermios de enfriamiento algo que los bosones extremadamente - las bajas temperaturas han creado los gases degenerados, donde los átomos no se juntan en un solo estado debido al principio de exclusión de Pauli . Para exhibir la condensación de Bose-Einstein, los fermios deben " pares del up" para formar las partículas compuestas (e. las moléculas o el fabricante de vinos aparea ) que son bosones. Los condensados moleculares del primer Bose-Einstein fueron creados en noviembre de 2003 por los grupos de Rudolf Grimm en la universidad de Innsbruck, de Deborah S. Jin en la universidad de Colorado en Boulder y de Wolfgang Ketterle en MIT . Jin se encendió rápidamente crear el primer Fermionic condensado integrado por los pares del fabricante de vinos

En 1999, el danés Lene Vestergaard Hau del físico llevó a equipo de la Universidad de Harvard que tuvo éxito en la reducción de un haz de luz a cerca de 17 metros por segundo y, en 2001, podía parar momentáneamente una viga. Ella podía alcanzar esto usando un superfluido. Hau y ella los asociados en la Universidad de Harvard han transformado desde entonces con éxito la luz en materia y nuevamente dentro de luz usar los condensados de Bose-Einstein. Los detalles del experimento se discuten en un artículo en la naturaleza, 8 de febrero de 2007 del diario.

Ver también


Laser del átomo
Coherencia atómica
Gas de Bose
Transparencia electromágnetico inducida
Fermionic condensado
Gas en una caja
Ecuación Gruesa-Pitaevskii
Luz lenta
Superconductividad
superfluido
Película superfluida
Supersolid
Condensación de Tachyon
Gas de Tonks-Girardeau
Átomo pesadísimo
Condensación de Bose-Einstein: un acercamiento de la teoría de red

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