www.wikidata.uk-ua.nina.az

Конденсація Бозе Ейнштейна Ця стаття про квантове явище фазового переходу Про інші значення терміну конденсація див Конд

Конденсація Бозе — Ейнштейна

Ця стаття про квантове явище фазового переходу. Про інші значення терміну «конденсація» див. Конденсація (значення).

Бозе-конденсація або конденсація Бозе — Ейнштейна  (БЕК) — явище надлишкового накопичення бозонів у стані з мінімальною енергією за температур, нижчих за певну критичну температуру.

Тривимірний графік розподілу швидкостей атомів газу рубідію, що підтверджують відкриття нового стану матерії, конденсату Бозе — Ейнштейна. Ліворуч: якраз перед появою конденсату Бозе-Ейнштейна. По центру: щойно після появи конденсату. Праворуч: після подальшого випаровування залишається майже чистий конденсат.

Попри назву, йдеться не про реальну конденсацію на зразок зрідження газів, а радше про конденсацію у просторі енергій чи імпульсів. Бозе-конденсація відбувається не внаслідок взаємодії між бозонами (розглядається ідеальний бозе-газ), а внаслідок особливості розподілу Бозе — Ейнштейна.

У червні 2020 р. дослідники з NASA повідомили про успішне досягнення п’ятого стану речовини у Лабораторії холодного атома (Cold Atom Laboratory) на МКС.

Теорія Редагувати

Ймовірність того, що бозон перебуватиме у стані з енергією εn при температурі T, визначається розподілом Бозе — Ейнштейна

де μ — хімічний потенціал, T — температура, kB — стала Больцмана.

Оскільки ймовірність — додатна величина, хімічний потенціал у розподілі Бозе — Ейнштейна повинен бути меншим за енергію будь-якого стану системи.

Для системи N бозонів хімічний потенціал визначається з умови

Це рівняння не має розв'язку з , де  — енергія основного стану системи, за температури, меншої за певну критичну температуру T0. У такому разі характер розподілу докорінно змінюється:

  • Ймовірність того, що бозон перебуватиме у стані з енергією, більшою за енергію основного стану, визначається розподілом Бозе — Ейнштейна:

з . Кількість таких бозонів

  • Решта бозонів перебуватиме в основному стані з енергією .

Для газу бозонів із параболічним законом дисперсії критична температура визначається формулою:

де g — зумовлений спіном фактор виродження, m — маса бозона,  — приведена стала Планка.

Звідси видно, що критична температура тим вища, чим менша маса бозона.

Маніфестація Бозе-Ейнштейнівської конденсації у різних системах Редагувати

Бозе-Ейнштейнівська конденсація експериментально спостерігалася у багатьох системах, що містять бозони. Конденсуватися можуть як реальні частинки (наприклад, атоми, фотони тощо) так і квазічастинки (наприклад, магнони, куперівські пари тощо). При Бозе-Ейнштейнівській конденсації змінюється основний стан системи, відповідно відбувається фазовий перехід, і фізичні властивості речовини значно змінюються.

Деякі матеріали, що містять Бозе-Ейнштейнівський конденсат, набувають нові властивості дуже корисні у техніці та промисловості, наприклад надпровідність. Проте у більшості випадків Бозе-Ейнштейнівська конденсація спостерігається за дуже низьких температур — біля абсолютного нуля. Це робить застосування Бозе-Ейнштейнівського конденсації важким та дуже непрактичним. Тому у більшості випадків спостереження явища БЕК являє суто наукових інтерес.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація у рідкому гелії He-4 Редагувати

БЕК атомів рідкого гелію He-4 спостерігається при температурах нижчих за 2.17 К (так звана лямбда точка), і призводить до надплинності цієї рідини — повної втрати в'язкості та утворення квантових вихрів. Вперше це явище спостерігалося у 1938 році Петром Капіцею, Джоном Алленом[en] та Даном Мейснером.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація у рідкому гелії He-3 Редагувати

БЕК у рідкому гелії He-3 спостерігається при температурах нижчих за 2.491 мК. Атом He-3 на відміну від атому He-4 є ферміоном, а не бозоном, тому безпосередня конденсація атомів He-3 неможлива. Проте за дуже низьких температур атоми He-3 утворюють так звані куперівські пари, які підкорюються Бозе статистиці та можуть утворювати Бозе-Ейнштейнівський конденсат.

Вперше це явище спростерігалося у 1972 .

Бозе-Ейнштейнівська конденсація в ультрахолодних газах Редагувати

У принципі БЕК можуть зазнавати усі атоми-бозони. Ізотоп певного елемента є бозоном, якщо цей ізотоп містить парну кількість нейтронів (наприклад, атом гелію He-4 містить два нейтрони, і тому є бозоном, а атом гелію He-3 містить один нейтрон і є ферміоном). Важкі атоми мають коротшу довжину хвиль де Бройля, відповідно критична температура БЕК таких атомів має бути нижчою за температуру БЕК легких атомів (див. формулу для критичної температури у розділі з теорією). На практиці виявляється, що на сьогоднішній день такі температури дуже важко досягти, особливо для макроскопічної кількості речовини, навіть у найкращих наукових лабораторіях світу.

В 1995 році Ерік Корнел і Карл Віман спостерігали за розподілом швидкостей в розрідженому газі з приблизно 2000 атомів 87Ru при надзвичайно низькій температурі (< 170 нК) і побачили ознаки Бозе-Ейнштейнівської конденсації. Через чотири місяці Бозе-конденсацію спостерігав Вольфганґ Каттерле для системи атомів 23N. У 2001 році Корнел, Вайман і Катерле отримали Нобелівську премію за це відкриття.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація куперівських пар у металах Редагувати

Вільні електрони, що містяться у металах, мають спін 1/2 та підкорюються статистиці Фермі, тому вони не можуть безпосередньо кондесуватися. Проте у переважній більшості металів за низьких температур електрони утворюють куперівські пари – квазічастинки зі спіном 0 або 1. БЕК куперівських пар призводить до низькотемпературної надпровідності у металах – повної втрати електричного опору та ефекту Мейснера.

Ефект Мейснера призводить до цікавого та видовищного ефекту – так званої магнітної левітації – надпровідник у фазі БЕК може левітувати над магнітом тому, що магнітне поле повністю або частково виштовхується із товщі цього надпровідника, і як наслідок він не може наблизитися до магніту.

Вперше надпровідність спостерігалася у 1911 році Кармелінґ-Оннесом у ртуті при температурі 4.2 К.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація у купратах Редагувати

БЕК у купратах (HgBa2Ca2Cu3O8+x, YBa2Cu3O7-x та інші) призводить до високотемпературної надпровідності. Наразі немає теорії, яка б повністю пояснювала це явище. Існує багато купратів, у яких температура фазового переходу вища за температуру кипіння рідкого азоту (77 К). Це дозволяє використовувати надпровідність у деяких приладах.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація магнонів у магнітних ізоляторах Редагувати

Магнони – це квазічастинки зі спіном 1 і підкорюються Бозе статистиці, тому вони можуть зазнавати БЕК при певних значеннях температури та зовішнього магнітного поля, що відіграє для магнонів роль хімічного потенціалу. У фазі БЕК змінюються термодинамічні властивості магнітного ізолятору: теплоємність та магнітна сприйнятливість.

Вперше БЕК магнонів спостерігалася у 1999 році у димерізованому магнітному ізоляторі TlCuCl3 при температурах 2 – 4 К та магнітних полях 6 – 7 Тесла . Подальші дослідження виявили БЕК магнонів у багатьох інших магнітних ізоляторах: KCuCl3, Sr3Cr2O8, Pb2V3O9, BaCuSi2O6, Ba3Mn2O8, (CuCl)LaNb2O7 тощо .

Бозе-Ейнштейнівська конденсація фотонів Редагувати

У листопаді 2010-го було отримано перший конденсат Бозе — Ейнштейна з фотонів.

Бозе-Ейнштейнівська конденсація поляритонів Редагувати

У червні 2017 року була опублікована наукова стаття, в якій заявляється про спостереження БЕК квазічастинок поляритонів. У статті також заявляється, що фазовий перехід спостерігається при кімнатних температурах.

Джерела Редагувати

  • Федорченко А. М. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика // Теоретична фізика. — К. : Вища школа, 1993. — Т. 2. — 415 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1 // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2005. — Т. 5. — 616 с.


Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.

Примітки Редагувати

  1. Чудеса у космосі. Вчені досягли п’ятого стану речовини на орбіті Землі
  2. Q.D. Osheroff, R.C. Richardson, and D.M. Lee (1972). Evidence for a New Phase of Solid He-3. Physical Review Letters 28. 
  3. Nikuni, T.; M. Oshikawa, A. Oosawa, and H. Tanaka, (1999). Bose–Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl3. Physical Review Letters 84: 5868. 
  4. V. Zapf et al. (2014). Bose-Einstein condensation in quantum magnets. Review of Modern Physics 86. [недоступне посилання з липня 2019]
  5. . Архів оригіналу за 27 грудня 2010. Процитовано 24 грудня 2010. 
  6. . Архів оригіналу за 22 липня 2014. Процитовано 24 грудня 2010. 
  7. (англійською). Science Daily. 24 листопада 2010. Архів оригіналу за 23 грудня 2010. Процитовано 25 листопада 2010. 
  8. Lerario, Giovanni; Fieramosca, Antonio; Barachati, Fábio; Ballarini, Dario; Daskalakis, Konstantinos S.; Dominici, Lorenzo; De Giorgi, Milena; Maier, Stefan A.; Gigli, Giuseppe; Kéna-Cohen, Stéphane; Sanvitto, Daniele (2017). Room-temperature superfluidity in a polariton condensate. Nature Physics (англ.) 13: 837–841. 
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Cya stattya pro kvantove yavishe fazovogo perehodu Pro inshi znachennya terminu kondensaciya div Kondensaciya znachennya Boze kondensaciya abo kondensaciya Boze Ejnshtejna BEK yavishe nadlishkovogo nakopichennya bozoniv u stani z minimalnoyu energiyeyu za temperatur nizhchih za pevnu kritichnu temperaturu Trivimirnij grafik rozpodilu shvidkostej atomiv gazu rubidiyu sho pidtverdzhuyut vidkrittya novogo stanu materiyi kondensatu Boze Ejnshtejna Livoruch yakraz pered poyavoyu kondensatu Boze Ejnshtejna Po centru shojno pislya poyavi kondensatu Pravoruch pislya podalshogo viparovuvannya zalishayetsya majzhe chistij kondensat Popri nazvu jdetsya ne pro realnu kondensaciyu na zrazok zridzhennya gaziv a radshe pro kondensaciyu u prostori energij chi impulsiv Boze kondensaciya vidbuvayetsya ne vnaslidok vzayemodiyi mizh bozonami rozglyadayetsya idealnij boze gaz a vnaslidok osoblivosti rozpodilu Boze Ejnshtejna U chervni 2020 r doslidniki z NASA povidomili pro uspishne dosyagnennya p yatogo stanu rechovini u Laboratoriyi holodnogo atoma Cold Atom Laboratory na MKS 1 Zmist 1 Teoriya 2 Manifestaciya Boze Ejnshtejnivskoyi kondensaciyi u riznih sistemah 2 1 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u ridkomu geliyi He 4 2 2 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u ridkomu geliyi He 3 2 3 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya v ultraholodnih gazah 2 4 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya kuperivskih par u metalah 2 5 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u kupratah 2 6 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya magnoniv u magnitnih izolyatorah 2 7 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya fotoniv 2 8 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya polyaritoniv 3 Dzherela 4 PrimitkiTeoriya RedaguvatiJmovirnist togo sho bozon perebuvatime u stani z energiyeyu en pri temperaturi T viznachayetsya rozpodilom Boze Ejnshtejna f e n 1 e e n m k B T 1 displaystyle f varepsilon n frac 1 e varepsilon n mu k B T 1 nbsp de m himichnij potencial T temperatura kB stala Bolcmana Oskilki jmovirnist dodatna velichina himichnij potencial u rozpodili Boze Ejnshtejna povinen buti menshim za energiyu bud yakogo stanu sistemi Dlya sistemi N bozoniv himichnij potencial viznachayetsya z umovi N n f e n n 1 e e n m k B T 1 displaystyle N sum n f varepsilon n sum n frac 1 e varepsilon n mu k B T 1 nbsp Ce rivnyannya ne maye rozv yazku z m lt e 0 displaystyle mu lt varepsilon 0 nbsp de e 0 displaystyle varepsilon 0 nbsp energiya osnovnogo stanu sistemi za temperaturi menshoyi za pevnu kritichnu temperaturu T0 U takomu razi harakter rozpodilu dokorinno zminyuyetsya Jmovirnist togo sho bozon perebuvatime u stani z energiyeyu bilshoyu za energiyu osnovnogo stanu viznachayetsya rozpodilom Boze Ejnshtejna z m 0 displaystyle mu 0 nbsp Kilkist takih bozoniv N e gt e 0 n 1 e e n k B T 1 displaystyle N varepsilon gt varepsilon 0 sum n frac 1 e varepsilon n k B T 1 nbsp Reshta N N e gt e 0 displaystyle N N varepsilon gt varepsilon 0 nbsp bozoniv perebuvatime v osnovnomu stani z energiyeyu e 0 displaystyle varepsilon 0 nbsp Dlya gazu bozoniv iz parabolichnim zakonom dispersiyi kritichna temperatura viznachayetsya formuloyu T 0 3 31 k B g 2 3 ℏ 2 m N V 2 3 displaystyle T 0 frac 3 31 k B g 2 3 frac hbar 2 m left frac N V right 2 3 nbsp de g zumovlenij spinom faktor virodzhennya m masa bozona ℏ displaystyle hbar nbsp privedena stala Planka Zvidsi vidno sho kritichna temperatura tim visha chim mensha masa bozona N e gt e 0 N T T 0 3 2 displaystyle N varepsilon gt varepsilon 0 N left frac T T 0 right 3 2 nbsp N e e 0 N 1 T T 0 3 2 displaystyle N varepsilon varepsilon 0 N left 1 left frac T T 0 right 3 2 right nbsp Manifestaciya Boze Ejnshtejnivskoyi kondensaciyi u riznih sistemah RedaguvatiBoze Ejnshtejnivska kondensaciya eksperimentalno sposterigalasya u bagatoh sistemah sho mistyat bozoni Kondensuvatisya mozhut yak realni chastinki napriklad atomi fotoni tosho tak i kvazichastinki napriklad magnoni kuperivski pari tosho Pri Boze Ejnshtejnivskij kondensaciyi zminyuyetsya osnovnij stan sistemi vidpovidno vidbuvayetsya fazovij perehid i fizichni vlastivosti rechovini znachno zminyuyutsya Deyaki materiali sho mistyat Boze Ejnshtejnivskij kondensat nabuvayut novi vlastivosti duzhe korisni u tehnici ta promislovosti napriklad nadprovidnist Prote u bilshosti vipadkiv Boze Ejnshtejnivska kondensaciya sposterigayetsya za duzhe nizkih temperatur bilya absolyutnogo nulya Ce robit zastosuvannya Boze Ejnshtejnivskogo kondensaciyi vazhkim ta duzhe nepraktichnim Tomu u bilshosti vipadkiv sposterezhennya yavisha BEK yavlyaye suto naukovih interes Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u ridkomu geliyi He 4 Redaguvati BEK atomiv ridkogo geliyu He 4 sposterigayetsya pri temperaturah nizhchih za 2 17 K tak zvana lyambda tochka i prizvodit do nadplinnosti ciyeyi ridini povnoyi vtrati v yazkosti ta utvorennya kvantovih vihriv Vpershe ce yavishe sposterigalosya u 1938 roci Petrom Kapiceyu Dzhonom Allenom en ta Danom Mejsnerom Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u ridkomu geliyi He 3 Redaguvati BEK u ridkomu geliyi He 3 sposterigayetsya pri temperaturah nizhchih za 2 491 mK Atom He 3 na vidminu vid atomu He 4 ye fermionom a ne bozonom tomu bezposerednya kondensaciya atomiv He 3 nemozhliva Prote za duzhe nizkih temperatur atomi He 3 utvoryuyut tak zvani kuperivski pari yaki pidkoryuyutsya Boze statistici ta mozhut utvoryuvati Boze Ejnshtejnivskij kondensat Vpershe ce yavishe sprosterigalosya u 1972 2 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya v ultraholodnih gazah Redaguvati U principi BEK mozhut zaznavati usi atomi bozoni Izotop pevnogo elementa ye bozonom yaksho cej izotop mistit parnu kilkist nejtroniv napriklad atom geliyu He 4 mistit dva nejtroni i tomu ye bozonom a atom geliyu He 3 mistit odin nejtron i ye fermionom Vazhki atomi mayut korotshu dovzhinu hvil de Brojlya vidpovidno kritichna temperatura BEK takih atomiv maye buti nizhchoyu za temperaturu BEK legkih atomiv div formulu dlya kritichnoyi temperaturi u rozdili z teoriyeyu Na praktici viyavlyayetsya sho na sogodnishnij den taki temperaturi duzhe vazhko dosyagti osoblivo dlya makroskopichnoyi kilkosti rechovini navit u najkrashih naukovih laboratoriyah svitu V 1995 roci Erik Kornel i Karl Viman sposterigali za rozpodilom shvidkostej v rozridzhenomu gazi z priblizno 2000 atomiv 87Ru pri nadzvichajno nizkij temperaturi lt 170 nK i pobachili oznaki Boze Ejnshtejnivskoyi kondensaciyi Cherez chotiri misyaci Boze kondensaciyu sposterigav Volfgang Katterle dlya sistemi atomiv 23N U 2001 roci Kornel Vajman i Katerle otrimali Nobelivsku premiyu za ce vidkrittya Boze Ejnshtejnivska kondensaciya kuperivskih par u metalah Redaguvati Vilni elektroni sho mistyatsya u metalah mayut spin 1 2 ta pidkoryuyutsya statistici Fermi tomu voni ne mozhut bezposeredno kondesuvatisya Prote u perevazhnij bilshosti metaliv za nizkih temperatur elektroni utvoryuyut kuperivski pari kvazichastinki zi spinom 0 abo 1 BEK kuperivskih par prizvodit do nizkotemperaturnoyi nadprovidnosti u metalah povnoyi vtrati elektrichnogo oporu ta efektu Mejsnera Efekt Mejsnera prizvodit do cikavogo ta vidovishnogo efektu tak zvanoyi magnitnoyi levitaciyi nadprovidnik u fazi BEK mozhe levituvati nad magnitom tomu sho magnitne pole povnistyu abo chastkovo vishtovhuyetsya iz tovshi cogo nadprovidnika i yak naslidok vin ne mozhe nablizitisya do magnitu Vpershe nadprovidnist sposterigalasya u 1911 roci Karmeling Onnesom u rtuti pri temperaturi 4 2 K Boze Ejnshtejnivska kondensaciya u kupratah Redaguvati BEK u kupratah HgBa2Ca2Cu3O8 x YBa2Cu3O7 x ta inshi prizvodit do visokotemperaturnoyi nadprovidnosti Narazi nemaye teoriyi yaka b povnistyu poyasnyuvala ce yavishe Isnuye bagato kuprativ u yakih temperatura fazovogo perehodu visha za temperaturu kipinnya ridkogo azotu 77 K Ce dozvolyaye vikoristovuvati nadprovidnist u deyakih priladah Boze Ejnshtejnivska kondensaciya magnoniv u magnitnih izolyatorah Redaguvati Magnoni ce kvazichastinki zi spinom 1 i pidkoryuyutsya Boze statistici tomu voni mozhut zaznavati BEK pri pevnih znachennyah temperaturi ta zovishnogo magnitnogo polya sho vidigraye dlya magnoniv rol himichnogo potencialu U fazi BEK zminyuyutsya termodinamichni vlastivosti magnitnogo izolyatoru teployemnist ta magnitna sprijnyatlivist Vpershe BEK magnoniv sposterigalasya u 1999 roci u dimerizovanomu magnitnomu izolyatori TlCuCl3 pri temperaturah 2 4 K ta magnitnih polyah 6 7 Tesla 3 Podalshi doslidzhennya viyavili BEK magnoniv u bagatoh inshih magnitnih izolyatorah KCuCl3 Sr3Cr2O8 Pb2V3O9 BaCuSi2O6 Ba3Mn2O8 CuCl LaNb2O7 tosho 4 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya fotoniv Redaguvati U listopadi 2010 go bulo otrimano pershij kondensat Boze Ejnshtejna z fotoniv 5 6 7 Boze Ejnshtejnivska kondensaciya polyaritoniv Redaguvati U chervni 2017 roku bula opublikovana naukova stattya v yakij zayavlyayetsya pro sposterezhennya BEK kvazichastinok polyaritoniv 8 U statti takozh zayavlyayetsya sho fazovij perehid sposterigayetsya pri kimnatnih temperaturah Dzherela RedaguvatiFedorchenko A M Kvantova mehanika termodinamika i statistichna fizika Teoretichna fizika K Visha shkola 1993 T 2 415 s Landau L D Lifshic E M Statisticheskaya fizika Chast 1 Teoreticheskaya fizika M Fizmatlit 2005 T 5 616 s nbsp Ce nezavershena stattya z fiziki Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi Primitki Redaguvati Chudesa u kosmosi Vcheni dosyagli p yatogo stanu rechovini na orbiti Zemli Q D Osheroff R C Richardson and D M Lee 1972 Evidence for a New Phase of Solid He 3 Physical Review Letters 28 Nikuni T M Oshikawa A Oosawa and H Tanaka 1999 Bose Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl3 Physical Review Letters 84 5868 V Zapf et al 2014 Bose Einstein condensation in quantum magnets Review of Modern Physics 86 nedostupne posilannya z lipnya 2019 Arhivovana kopiya Arhiv originalu za 27 grudnya 2010 Procitovano 24 grudnya 2010 Arhivovana kopiya Arhiv originalu za 22 lipnya 2014 Procitovano 24 grudnya 2010 Physicists Create New Source of Light Bose Einstein Condensate Super Photons anglijskoyu Science Daily 24 listopada 2010 Arhiv originalu za 23 grudnya 2010 Procitovano 25 listopada 2010 Lerario Giovanni Fieramosca Antonio Barachati Fabio Ballarini Dario Daskalakis Konstantinos S Dominici Lorenzo De Giorgi Milena Maier Stefan A Gigli Giuseppe Kena Cohen Stephane Sanvitto Daniele 2017 Room temperature superfluidity in a polariton condensate Nature Physics angl 13 837 841 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Kondensaciya Boze Ejnshtejna amp oldid 39704324