Bose-einsteincondensaat (BEC), een toestand van de materie waarin afzonderlijke atomen of subatomaire deeltjes, afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt (0 K, − 273,15 °C, of − 459,67 °F; K = kelvin), samensmelten tot een enkele kwantummechanische entiteit—dat wil zeggen een entiteit die kan worden beschreven door een golffunctie—op een bijna macroscopische schaal. Deze vorm van materie werd in 1924 voorspeld door Albert Einstein op basis van de kwantumformuleringen van de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose.,de eerste atomaire BEC werd pas in 1995 gemaakt toen Eric Cornell en Carl Wieman van JILA, een onderzoeksinstelling die gezamenlijk wordt beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Universiteit van Colorado in Boulder, een gas van rubidium-atomen koelden tot 1,7 × 10-7 K boven het absolute nulpunt. Samen met Wolfgang Ketterle van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die een BEC met natriumatomen creëerde, ontvingen deze onderzoekers in 2001 de Nobelprijs voor de natuurkunde., Onderzoek naar BECs heeft het begrip van de kwantumfysica uitgebreid en heeft geleid tot de ontdekking van nieuwe fysische effecten.
BEC theorie gaat terug tot 1924, toen Bose overwoog hoe groepen van fotonen zich gedragen. Fotonen behoren tot een van de twee grote klassen van elementaire of submicroscopische deeltjes, gedefinieerd door de vraag of hun kwantum spin een niet-negatief geheel getal (0, 1, 2,…) of een oneven half geheel getal (1/2, 3/2,…) is. Het eerste type, bosonen genoemd, omvat fotonen, waarvan de spin 1 is. Dit laatste type, fermionen genoemd, omvat elektronen, waarvan de spin 1/2 is.,
zoals Bose opmerkte, gedragen de twee klassen zich anders (zie Bose-Einstein en Fermi-Dirac statistieken). Volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe vermijden fermionen elkaar, waardoor elk elektron in een groep een aparte kwantumtoestand inneemt (aangegeven door verschillende kwantumgetallen, zoals de energie van het elektron). Een onbeperkt aantal bosonen daarentegen kan dezelfde energietoestand hebben en één kwantumtoestand delen.
Einstein breidde al snel Bose ‘ s werk uit om aan te tonen dat bij extreem lage temperaturen “bosonische atomen” met even Draaiingen zouden samensmelten tot een gedeelde kwantumtoestand bij de laagst beschikbare energie. De vereiste methoden om temperaturen te produceren die laag genoeg zijn om Einsteins voorspelling te testen, werden echter pas in de jaren negentig haalbaar. een van de doorbraken hing af van de nieuwe techniek van laserkoeling en-vangen, waarbij de stralingsdruk van een laserstraal atomen afkoelt en lokaliseert door ze te vertragen., (Voor dit werk deelden de Franse natuurkundige Claude Cohen-Tannoudji en de Amerikaanse natuurkundigen Steven Chu en William D. Phillips in 1997 de Nobelprijs voor de natuurkunde.) De tweede doorbraak was afhankelijk van verbeteringen in magnetische opsluiting om de atomen op hun plaats te houden zonder een materiële container. Met behulp van deze technieken slaagden Cornell en Wieman erin om ongeveer 2.000 individuele atomen samen te voegen tot een “superatoom”, een condensaat dat groot genoeg was om met een microscoop te observeren, met duidelijke kwantumeigenschappen. Zoals Wieman beschreef de prestatie, ” we brachten het op een bijna menselijke schaal., We kunnen het prikken en prikken en naar dit spul kijken op een manier die niemand ooit heeft kunnen doen.”
BECs zijn gerelateerd aan twee opmerkelijke lage-temperatuurverschijnselen: superfluïditeit, waarbij elk van de heliumisotopen 3He en 4He een vloeistof vormt die zonder wrijving stroomt; en supergeleiding, waarbij elektronen door een materiaal bewegen met nul elektrische weerstand. 4He atomen zijn bosonen, en hoewel 3He atomen en elektronen fermionen zijn, kunnen ze ook bose condensatie ondergaan als ze paren met tegengestelde spins om bosonachtige toestanden te vormen met nul netto spin., In 2003 gebruikten Deborah Jin en haar collega ‘ s bij JILA gepaarde fermionen om het eerste atomaire fermionische condensaat te creëren.
BEC-onderzoek heeft nieuwe atomaire en optische fysica opgeleverd, zoals de atoomlaserketterle uit 1996. Een conventionele lichtlaser straalt een bundel coherente fotonen uit; ze zijn allemaal precies in fase en kunnen worden gefocust op een extreem kleine, lichte vlek. Op dezelfde manier produceert een atoomlaser een coherente bundel van atomen die bij hoge intensiteit kan worden geconcentreerd., Mogelijke toepassingen zijn nauwkeurigere atoomklokken en verbeterde technieken om elektronische chips of geïntegreerde schakelingen te maken.
De meest intrigerende eigenschap van BECs is dat ze licht kunnen vertragen. In 1998 vertraagde Lene Hau van Harvard University en haar collega ‘ s het licht dat door een BEC reed, van zijn snelheid in vacuüm van 3 × 108 meter per seconde tot slechts 17 meter per seconde, of ongeveer 38 mijl per uur. Sindsdien zijn Hau en anderen volledig gestopt en hebben ze een lichtpuls opgeslagen in een BEC, waardoor het licht later onveranderd vrijkomt of naar een tweede BEC wordt gestuurd., Deze manipulaties zijn veelbelovend voor nieuwe soorten op licht gebaseerde Telecommunicatie, optische opslag van gegevens en kwantumcomputing, hoewel de lage-temperatuurvereisten van BECs praktische problemen bieden.