kondensat Bosego-Einsteina (BEC), stan materii, w którym oddzielne atomy lub cząstki subatomowe, schłodzone do zera bezwzględnego (0 K, − 273.15 °C, lub-459.67 °F; K = kelvin), łączą się w pojedynczą kwantową jednostkę mechaniczną—to znaczy taką, która może być opisana za pomocą funkcji falowej—w skali zbliżonej do makroskopowej. Ta forma materii została przepowiedziana w 1924 roku przez Alberta Einsteina na podstawie kwantowych sformułowań Indyjskiego fizyka Satyendra Nath Bose.,
chociaż przewidywano to od dziesięcioleci, pierwszy atomowy BEC powstał dopiero w 1995 roku, kiedy Eric Cornell i Carl Wieman z JILA, instytucji badawczej prowadzonej wspólnie przez National Institute of Standards and Technology (NIST) i University of Colorado at Boulder, ochłodzili Gaz atomów rubidu do 1,7 × 10-7 K powyżej zera bezwzględnego. Wraz z Wolfgangiem Ketterle z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który stworzył BEC z atomami sodu, naukowcy ci otrzymali w 2001 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki., Badania nad BECs poszerzyły zrozumienie fizyki kwantowej i doprowadziły do odkrycia nowych efektów fizycznych.
teoria BEC sięga roku 1924, kiedy to Bose rozważał zachowanie grup fotonów. Fotony należą do jednej z dwóch wielkich klas cząstek elementarnych lub submikroskopowych, zdefiniowanych przez to, czy ich spin kwantowy jest nieparzystą liczbą całkowitą (0 ,1, 2,…) czy nieparzystą liczbą całkowitą (1/2, 3/2, …). Pierwszy typ, zwany bozonami, obejmuje fotony, których spin wynosi 1. Ten ostatni typ, zwany fermionami, obejmuje elektrony, których spin wynosi 1/2.,
jak zauważył Bose, obie klasy zachowują się inaczej (patrz Statystyka Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca). Zgodnie z zasadą wykluczenia Pauli ' ego fermiony mają tendencję do unikania siebie nawzajem, z tego powodu każdy elektron w grupie zajmuje oddzielny stan kwantowy (oznaczany różnymi liczbami kwantowymi, np. energią elektronu). Natomiast Nieograniczona liczba bozonów może mieć ten sam stan energetyczny i dzielić jeden stan kwantowy.
Einstein wkrótce rozszerzył pracę Bosego, aby pokazać, że w ekstremalnie niskich temperaturach „bozonowe Atomy” z parzystymi spinami połączyłyby się w wspólny stan kwantowy przy najniższej dostępnej energii. Wymagane metody wytwarzania temperatur na tyle niskich, aby przetestować przepowiednię Einsteina, nie stały się jednak osiągalne aż do lat 90. jednym z przełomów była nowatorska technika chłodzenia i pułapkowania lasera, w której ciśnienie promieniowania wiązki lasera chłodzi i lokalizuje Atomy, spowalniając je., (Za tę pracę francuski fizyk Claude Cohen-Tannoudji oraz amerykańscy fizycy Steven Chu i William D. Phillips otrzymali w 1997 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.) Drugi przełom polegał na poprawie magnetycznego zamknięcia w celu utrzymania atomów w miejscu bez pojemnika materialnego. Używając tych technik, Cornellowi i Wiemanowi udało się połączyć około 2000 pojedynczych atomów w „superatom”, kondensat wystarczająco duży, aby obserwować za pomocą mikroskopu, który wykazywał wyraźne właściwości kwantowe. Jak opisał to osiągnięcie Wieman: „sprowadziliśmy je na niemal ludzką skalę., Możemy go szturchnąć, popchnąć i spojrzeć na te rzeczy w sposób, w jaki nikt wcześniej nie był w stanie.”
BECs są związane z dwoma niezwykłymi zjawiskami niskotemperaturowymi: nadpłynnością, w której każdy z izotopów helu 3HE i 4HE tworzy ciecz, która płynie z zerowym tarciem; i nadprzewodnictwem, w którym elektrony poruszają się przez materiał o zerowym oporze elektrycznym. Atomy 4He są bozonami i chociaż Atomy 3HE i elektrony są fermionami, mogą również ulegać kondensacji Bosego, jeśli łączą się w pary z przeciwnymi spinami, tworząc stany podobne do bozonów z zerowym spinem netto., W 2003 Deborah Jin i jej współpracownicy z JILA użyli pary fermionów do stworzenia pierwszego atomowego kondensatu fermionowego.
badania BEC przyniosły nową fizykę atomową i optyczną, taką jak laser atomowy Ketterle zademonstrowany w 1996 roku. Konwencjonalny Laser świetlny emituje wiązkę koherentnych fotonów; wszystkie one są dokładnie w fazie i mogą być skupione na bardzo małej, jasnej plamce. Podobnie, Laser atomowy wytwarza spójną wiązkę atomów, która może być skupiona przy dużej intensywności., Potencjalne zastosowania obejmują bardziej dokładne zegary atomowe i ulepszone techniki wytwarzania układów elektronicznych lub układów scalonych.
najbardziej intrygującą właściwością BECs jest to, że mogą spowolnić światło. W 1998 roku Lene Hau z Uniwersytetu Harvarda i jej koledzy zwolnili światło poruszające się przez BEC z jego prędkości w próżni 3 × 108 metrów na sekundę do zaledwie 17 metrów na sekundę, czyli około 38 mil na godzinę. Od tego czasu Hau i inni całkowicie zatrzymali i przechowywali impuls świetlny w BEC, później uwalniając światło w niezmienionej postaci lub wysyłając je do drugiego BEC., Te manipulacje są obiecujące dla nowych rodzajów telekomunikacji światłowodowej, optycznego przechowywania danych i obliczeń kwantowych, chociaż wymagania Becs w niskich temperaturach stwarzają praktyczne trudności.