Bose-Einstein condensate (BEC), ett tillstånd av materia i vilket separata atomer eller subatomiska partiklar, kylda till nära absolut noll (0 K, − 273.15 °C, eller − 459.67 °f; k = kelvin), sammansmälter till en enda kvantmekanisk enhet—det vill säga en som kan beskrivas av en vågfunktion—på en nära makroskopisk skala. Denna form av materia förutspåddes 1924 av Albert Einstein på grundval av kvantformuleringarna av den indiska fysikern Satyendra Nath Bose.,
även om det hade förutspått i årtionden, gjordes den första atomic BEC endast 1995, då Eric Cornell och Carl Wieman från JILA, en forskningsinstitution som drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado vid Boulder, kylde en gas av rubidiumatomer till 1,7 × 10-7 K över absolut noll. Tillsammans med Wolfgang Ketterle från Massachusetts Institute of Technology (MIT), som skapade en BEC med natriumatomer, fick dessa forskare 2001 Nobelpriset för fysik., Forskning om BECs har utökat förståelsen för kvantfysik och har lett till upptäckten av nya fysiska effekter.
BEC-teorin spårar tillbaka till 1924, när Bose övervägde hur grupper av fotoner beter sig. Fotoner tillhör en av de två stora klasserna av elementära eller submikroskopiska partiklar som definieras av huruvida deras kvantspinn är ett nonnegativt heltal (0, 1, 2, …) eller ett udda halvtal (1/2, 3/2, …). Den tidigare typen, kallad bosons, innehåller fotoner, vars spinn är 1. Den senare typen, kallad fermioner, innefattar elektroner, vars spinn är 1/2.,
som Bose noterade beter sig de två klasserna annorlunda(se Bose-Einstein och Fermi-Dirac-statistik). Enligt Pauli-uteslutningsprincipen tenderar fermioner att undvika varandra, varför varje elektron i en grupp upptar ett separat kvanttillstånd (indikerat av olika kvanttal, såsom elektronens energi). Däremot kan ett obegränsat antal bosoner ha samma energitillstånd och dela ett enda kvanttillstånd.
Einstein utökade snart Boses arbete för att visa att vid extremt låga temperaturer ”bosoniska atomer” med jämn spinn skulle sammanfalla till ett delat kvanttillstånd vid lägsta tillgängliga energi. De nödvändiga metoderna för att producera temperaturer som är tillräckligt låga för att testa Einsteins förutsägelse blev dock inte uppnåeliga förrän på 1990-talet. n av genombrotten berodde på den nya tekniken för laserkylning och fångst, där strålningstrycket hos en laserstråle kyler och lokaliserar atomer genom att sakta ner dem., (För detta arbete delade den franska fysikern Claude Cohen-Tannoudji och amerikanska fysiker Steven Chu och William D. Phillips 1997 års Nobelpris för fysik.) Det andra genombrottet berodde på förbättringar i magnetisk inneslutning för att hålla atomerna på plats utan en materialbehållare. Med hjälp av dessa tekniker lyckades Cornell och Wieman slå samman cirka 2,000 enskilda atomer i en” superatom”, ett kondensat som var tillräckligt stort för att observera med ett mikroskop, som visade tydliga kvantegenskaper. Som Wieman beskrev prestationen, ” vi tog det till en nästan mänsklig skala., Vi kan peta det och prod det och titta på det här på ett sätt som ingen har kunnat tidigare.”
BECs är relaterade till två anmärkningsvärda lågtemperaturfenomen: suprafluiditet, där var och en av heliumisotoperna 3He och 4He bildar en vätska som strömmar med nollfriktion; och supraledning, där elektroner rör sig genom ett material med noll elektrisk resistans. 4HE atomer är bosoner, och även om 3He atomer och elektroner är fermioner, kan de också genomgå Bose kondensation om de para ihop med motsatta snurrar för att bilda bosonlike stater med noll netto spin., 2003 använde Deborah Jin och hennes kollegor på JILA Parade fermioner för att skapa det första atomära fermioniska kondensatet.
BEC-forskning har givit ny atomfysik och optisk fysik, såsom atom-Laserketterlen som demonstrerades 1996. En konventionell ljuslaser avger en stråle av sammanhängande fotoner; de är alla exakt i fas och kan fokuseras på en extremt liten, ljuspunkt. På samma sätt producerar en atomlaser en sammanhängande stråle av atomer som kan fokuseras på hög intensitet., Potentiella applikationer inkluderar mer exakta atomklockor och förbättrade tekniker för att göra elektroniska chips eller integrerade kretsar.
den mest spännande egenskapen hos BECs är att de kan sakta ner ljuset. 1998 avtog Lene Hau från Harvard University och hennes kollegor ljus som färdades genom en BEC från sin hastighet i vakuum av 3 × 108 meter per sekund till bara 17 meter per sekund, eller ca 38 miles per timme. Sedan dess har Hau och andra helt stoppat och lagrat en ljuspuls inom en BEC, senare släpper ljuset oförändrat eller skickar det till en andra BEC., Dessa manipuleringar håller löfte för nya typer av ljusbaserad telekommunikation, optisk lagring av data och kvantberäkning, även om Becs låga temperaturkrav erbjuder praktiska svårigheter.