Конденсат Бозе - Эйнштейна — пятое состояние материи

Конденсат Бозе - Эйнштейна – специфическое агрегатное состояние агрегатное состояние вещества, которая представлено по большей части бозонами в условиях сверхнизкой температуры.

Является конденсированным состояниям бозе-газа — газа, состоящего из бозонов и подчиняющемуся квантовомеханическим эффектам.

В 1924-м году индийский физик Сатьендра Нат Бозе предложил квантовую статистику для описания бозонов, частиц с целым спином, которые также были названы в честь него. В 1925-м году Альберт Эйнштейн обобщил труды Бозе, применив его статистику к системам, состоящим из атомов с целым спином. К таким атомам, например, относятся атомы Гелия-4. В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются запрещающему принципу Паули, то есть несколько бозонов могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Статистика Бозе - Эйнштейна способна описать распределение частиц с целочисленным или нулевым спином. Кроме того, эти частицы не должны взаимодействовать и должны быть тождественны, то есть неразличимы.

Конденсат Бозе - Эйнштейна

Конденсат Бозе - Эйнштейна представляет собой газ, состоящий из частиц или атомов с целым спином. Как известно, частицы способны принимать сразу несколько квантовых состояний – так называемые квантовые эффекты. Согласно работе Эйнштейна, с понижением температуры количество доступных частице квантовых состояний будет уменьшаться. Причиной этому служит то, что частицы с понижением температуры все больше будут предпочитать наименее энергетические состояния. Учитывая то, что бозоны способны одновременно находиться в одном и том же состоянии, с понижением температуры они перейдут в одно и то же состояние.

Таким образом, конденсат Бозе - Эйнштейна будет состоять из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном состоянии. Примечательно, что также с понижением температуры все более будет проявляться волновая природа частиц. На выходе будем иметь одну квантово-механическую волну в макромасштабах.

Данные распределения скорости (3 вида) для газа атомов рубидия, подтверждающие открытие новой фазы вещества, конденсата Бозе-Эйнштейна. Слева: перед появлением конденсата Бозе-Эйнштейна. Центр: сразу после появления конденсата. Справа: после дальнейшего испарения, оставляя образец почти чистого конденсата.

Как получить конденсат Бозе - Эйнштейна?

Впервые данное агрегатное состояние было достигнуто в 1995-м году американскими физиками из Национального института стандартов и технологии – Эриком Корнеллом и Карлом Вименом. В эксперименте использовалась технология лазерного охлаждения, благодаря которой удалость понизить температуру образца до 20 нанокельвинов. В качестве материала для газа использовался рубидий-87, 2 тысячи атомов которого перешли в состояние конденсата Бозе - Эйнштейна. Спустя четыре месяца немецкий физик Вольфганг Кеттерле также достиг конденсата в значительно больших объемах. Таким образом ученые экспериментально подтвердили возможность достижения «пятого агрегатного состояния» в условиях сверхнизких температур, за что в 2001-м году получили Нобелевскую премию.

В 2010-м году немецкие ученые из Боннского университета под руководством Мартина Вейца получили конденсат Бозе - Эйнштейна из фотонов при комнатной температуре. Для этого использовалась камера с двумя изогнутыми зеркалами, пространство между которыми постепенно заполнялось фотонами. В некоторый момент, «запускаемые» внутрь фотоны уже не могли прийти к равновесному энергетическому состоянию, в отличие находящихся там ранее фотонов. Эти «лишние» фотоны начали конденсироваться, переходя в одно и то же наименее энергетическое состояние и образовывая тем самым пятое агрегатное состояние. То есть ученым удалось получить конденсат из фотонов при комнатной температуре, без охлаждения.

Уже к 2012-му году удалось достичь конденсат из множества других изотопов, в том числе изотопы натрия, лития, калия и др. А в 2014-м году была успешно протестирована установка для создания конденсата, которую в 2017-м году отправят на Международную космическую станцию для проведения экспериментов в условиях невесомости.

Применение конденсата

Хотя данное явление сложно представить, как и любые квантовые эффекты, подобное вещество может найти применение в широком спектре задач. Одним из примеров применения конденсата Бозе - Эйнштейна является атомный лазер. Как известно, излучение, испускаемое лазером, является когерентным. То есть фотоны такого излучения имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны. Если же фотоны будут находиться в одном квантово-механическом состоянии, как в случае с конденсатом Бозе - Эйнштейна, то существует возможность синхронизировать данное охлажденное вещество, чтобы получить излучение для более эффективного лазера. Такой атомный лазер был создан еще в 1997-м году под руководством Вольфганга Кеттерле – одного из первых ученых, создавших конденсат.

Метод получения конденсата из фотонов, который был использован немецкими учеными в 2010-м году может найти применение в солнечной энергетике. По мнению некоторых физиков, это позволит повысить эффективность солнечных элементов в условиях пасмурной погоды.

Конденсат Бозе - Эйнштейна — графическая визуализация

Так как конденсат Бозе - Эйнштейна был получен относительно недавно, сферы его применения еще точно не определены. Однако, по мнению различных ученых, конденсат может быть полезен во многих областях, начиная от медицинского оборудования и заканчивая квантовыми компьютерами.

Теория существования сверхтекучего вещества была разработана в первой трети XX века, но получить его ученым удалось только через 70 лет.

Относительно недавно ученым удалось получить гипотетический конденсат Бозе -Эйнштейна на основе фотонов. Вряд ли обычному человеку эта новость что-то сказала, но в мире науки данное открытие считается просто уникальным. В чем суть?

Конденсат Бозе - Эйнштейна был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе. Конденсат — это специфическая форма вещества, его новое пятое состояние. Это не жидкость, не газ, не твердое тело и не плазма. Когда вещество принимает такую форму, в нем проявляются квантовые эффекты. Вещество становится сверхтекучим. Все его атомы двигаются согласованно. По сути, конденсат становится одной большой квантовой частицей.

Теория существования сверхтекучего вещества была разработана в первой трети XX века, но получить его ученым удалось только через 70 лет. Причина заключалась в том, что частицы вещества должны были вести себя как единая квантовая система для получения предполагаемого конденсата. Для этого их нужно было охладить до температур ниже абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсия) на несколько миллионных долей градуса. Такие температуры называются нанокельвины. Они более чем в миллион раз ниже температуры межзвездного пространства.

В те годы физики просто не умели добиваться столь низких температур. К тому же, большинство веществ, охлажденных до температуры абсолютного нуля начинают вести себя как жидкости. Что бы получить конденсат Бозе — Эйнштейна, вещество должно остаться «газом», то есть не потерять подвижность.

В середине 1990-х годов стало известно, что щелочные металлы натрий и рубидий при охлаждении сохраняют нужные свойства для того, что бы превратится в конденсат. Для понижения температуры атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений исследователи использовали лазерное охлаждение вместе с охлаждением испарением.

А вот в 2010 году немецкие ученые из Боннского университета получили конденсат Бозе - Эйнштейна из фотонов уже при комнатной температуре. Как им это удалось? Для эксперимента использовалась камера с двумя изогнутыми зеркалами. Пустое пространство между ними постепенно заполнялось фотонами. В один из моментов запускаемые фотоны теряли устойчивое состояние, в отличие находящихся там ранее частиц. Такие фотоны начинали конденсироваться и переходить в пятое агрегатное состояние материи. Это означает, что ученые получили конденсат Эйнштейна – Бозе при комнатной температуре, без охлаждения.

Применять сверхтекучее вещество можно в широком спектре задач. Например, в атомном лазере. Фотоны в обычном лазере имеют одинаковую энергию, фазу и длину волны. Если же они примут состояние конденсата, то существует возможность получить излучение для более эффективной работы лазера. К тому же метод получения конденсата из фотонов может найти применение в солнечной энергетике. Это позволит в будущем повысить эффективность солнечных элементов при пасмурной погоде.

В газе из атомов бозонов часть атомов полностью теряет свою кинетическую энергию и импульс при достаточно низкой, но конечной температуре. Такие атомы называются бозе-конденсатом от лат. condenso – «сгущаю». Волновые функции атомов конденсата взаимно согласованы по фазе. На этой основе разработаны атомные лазеры , испускающие атомы с когерентными волновыми функциями.

Явление полной потери кинетической энергии у части идеального бозонного газа при низкой температуре теоретически открыл А. Эйнштейн в 1925 г. Процесс называется бозе-конденсацией частиц в импульсном пространстве . Его детально исследовали Фриц и Хайнц Лондоны в 1938 г. Бозе-конденсация является следствием того, что химический потенциал бозонного газа не может быть положительным. При нормальной температуре химический потенциал газа отрицательный. При уменьшении температуры химический потенциал увеличивается, и при достаточно низкой температуре достигает наибольшего возможного значения . Дальнейшее понижение температуры вызывает уменьшение числа частиц в газовой фазе и часть атомов выпадает в конденсат.

Хайнц Лондон (1907–1970) и Фриц Лондон (1900–1954) –

основатель теории сверхпроводимости и квантовой химии

Получить конденсацию экспериментально не удавалось более 50 лет, поскольку при низкой температуре межатомное взаимодействие притягивает атомы друг к другу, образуются кластеры и далее жидкое или твердое состояние до начала бозе-конденсации. Кластер возникает при столкновении трех и более частиц, что вероятнее при высокой концентрации. При низкой концентрации частиц преобладают парные столкновения, обеспечивающие установление теплового равновесия. Для предотвращения образования кластеров нужно снижать концентрацию газа. Метастабильный бозе-конденсат в разреженных газах атомов рубидия, натрия, лития впервые получили В. Кеттерле, К. Виман и Э. Корнелл в 1995 г. Атомы водорода конденсированы в 1997 г. Бозе-конденсат проявляет уникальные свойства: температура , скорость света , скорость звука .

Вольфганг Кеттерле, Карл Виман, Эрик Корнелл

Атомы бозоны . Спин атома складывается из спинов электронов оболочки и нуклонов ядра, их спины равны 1/2. Число электронов равно числу протонов, поэтому их общий спин в электрически нейтральном атоме целочисленный. Спин атома определяется числом нейтронов. Бозонами являются атомы с четным числом нейтронов , например: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , где нижняя цифра – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, или число протонов в ядре, верхняя цифра – массовое число, или число протонов и нейтронов в ядре. Атом с четной разностью цифр является бозоном. При сверхнизких температурах атомы находятся в основном состоянии, поэтому первые два имеют нулевой спин, а у последних трех спин равен единице. Число спиновых состояний

Барионное число нуклонов сохраняется, поэтому число атомов в изолированной системе не изменяется.

Распределение бозонов по энергии . Используем распределение Бозе–Эйнштейна (4.10) для среднего числа частиц в одном состоянии

,

и плотность состояний трехмерного газа (3.8)

, .

Получаем число частиц в интервале энергии в газе объемом V

. (4.77)

Полное число частиц находим из (4.77)

. (4.78)

Химический потенциал определяется из (4.78). При изменении температуры число частиц сохраняется, тогда от T не зависит

,

где учтено . Следовательно, при уменьшении температуры уменьшается |m|, и химический потенциал увеличивается от отрицательных значений до нуля. Если – температура, при которой химический потенциал обращается в нуль:

тогда при выполняется

. (4.79)

При понижении температуры ниже рост μ невозможен, и (4.78) выполняется за счет уменьшения числа частиц газа .

Порог конденсации – это верхняя граница интервала температуры , где химический потенциал равен нулю. Из (4.78) получаем

,

где N – число частиц газа при нормальной температуре. Используя

при , находим интеграл

,

получаем

. (4.80)

Температура порога конденсации возрастает с увеличением концентрации атомов и с уменьшением массы атома .

Массу атома выражаем через молярную массу

концентрацию атомов выражаем через молярный объем

.

Из (4.80) в системе единиц СГС получаем

[К]. (4.81)

Для 2 He 4 с параметрами:

, , ,

Получим длину волны де Бройля при . Для атома со средней энергией

и импульсом

используем (4.80) и получаем

,

.

Учитывая , где d – среднее расстояние между атомами, находим

.

При понижении температуры длина волны де Бройля атома увеличивается и при достижении порога конденсации сравнивается с расстоянием между атомами . Волновые функции частиц перекрываются, интерферируют и бозе-конденсат проявляет квантовые свойства.

Число конденсированных частиц . В интервале температур химический потенциал равен нулю. При температуре ниже Т 0 уравнение (4.78)

, ,

выполняется за счет уменьшения числа частиц в газовой фазе от первоначального N до текущего N 1 (Т ). Аналогично (4.80) получаем

, .

Результат делим на (4.80)

,

и находим число и концентрацию частиц, оставшихся при в газовой фазе:

, (4.82)

. (4.82а)

Число конденсированных частиц

. (4.83)

Относительное число конденсированных частиц показано на рисунке.

Внутренняя энергия и теплоемкость . Используя (4.77)

,

получаем внутреннюю энергию

, (4.84)

В области конденсации находим

, (4.85)

.

Внутренняя энергия определяется вкладом лишь газовой фазы, внутренняя энергия конденсированной фазы равна нулю . Из (4.85) и (4.82)

находим энергию, приходящуюся на частицу газовой фазы в области конденсации:

. (4.86)

Из (4.85) находим теплоемкость ниже порога конденсации:

. (4.87)

Учитывая (4.80)

,

из (4.87) получаем теплоемкость при температуре конденсации

. (4.87а)

Свободная энергия . Из (4.85)

и из уравнения Гиббса–Гельмгольца (2.29) находим

. (4.88)

Энтропия и давление выражаются через свободную энергию

С учетом (4.88) в области конденсации получаем

, (4.89)

, (4.90а)

Выражение (4.90б) является уравнением состояния нерелятивистского идеального квантового газа , и совпадает с уравнением состояния классического идеального газа. Сравнивая (4.89) и (4.82)

,

находим, что энтропия пропорциональна числу частиц газовой фазы . Следовательно, энтропия конденсированной фазы равна нулю . Давление (4.90а) определяется температурой и не зависит от объема. Конденсированные частицы имеют нулевой импульс и не создают давления. Оно определяется концентрацией частиц газовой фазы (4.82а)

,

. (4.91)

Осуществление конденсации . Двухчастичные столкновения обеспечивают термодинамическое равновесие газа. Трехчастичные столкновения приводят к образованию жидкого и твердого состояний. При относительно больших плотностях газа существенны трехчастичные столкновения. Межатомное взаимодействие образует жидкое или кристаллическое состояние при низких температурах. При малой плотности газа вероятность трехчастичных столкновений существенно меньше двухчастичных столкновений. В результате при низких температурах возможно газообразное метастабильное состояние с достаточно большим временем жизни. Первые конденсаты получены из атомов рубидия, натрия, водорода при температуре газовой фазы ~10 –2 К, под давлением P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Удержание газа в вакуумированной стеклянной ячейке в области размером менее 1 мм осуществляется магнитной ловушкой . Система катушек создает неоднородное магнитное поле с абсолютным минимумом в центре. Магнитный момент атомаp m в магнитном поле B получает энергию (–p m ×B ). Для точки 2 в центре ловушки поле пренебрежимо мало, для точки 1 в стороне от центра поле B сильное. При термодинамическом равновесии электрохимические потенциалы во всех точках одинаковые

.

Магнитная ловушка

В основном состоянии атома 2 Не 4 спины электронов направлены в противоположенные стороны, их магнитные моменты скомпенсированы и у атома нет собственного магнитного момента. При включении внешнего магнитного поля в атоме возникает круговой ток электронов благодаря явлению электромагнитной индукции. Согласно правилу Ленца, индуцированный магнитный момент направлен против внешнего поля, это дает

,

Химический потенциал растет с увеличением концентрации частиц, тогда получаем

Атомы с магнитными моментами, направленными против поля, выталкиваются из сильного в слабое магнитное поле – «диамагнитные атомы ищут слабое поле ». В результате атомы собираются и удерживаются в центре ловушки. Область удержания имеет вид сигары диаметром ~(10…50) мкм, длиной ~300 мкм. Из ловушки атомы выводятся коротким импульсом высокочастотного излучения, наклоняющего магнитные моменты атомов. Возникает суперпозиция состояний с моментами, направленными против- и по полю, последнее состояние выталкивается ловушкой.

Для удержания бозе-конденсата также разработаны микросхемы, создающие необходимую конфигурацию магнитного поля на расстоянии ~0,1 мм от своей поверхности и потребляющие мощность ~1 Вт. На таких расстояниях чип создает более неоднородное магнитное поле, чем катушка, обеспечивая лучшее удержание газа. Чип миниатюрен, имеет комнатную температуру, его тепловое излучение слабо поглощается газом. Изменением токов чипа можно перемещать центр ловушки и двигать бозе-конденсат вдоль поверхности чипа.

Охлаждение газа осуществляется лазерным методом , основанным на эффекте Доплера. Если на хаотически движущиеся атомы направить лазерное излучение с частотой n < n 0 , где n 0 – частота резонансного поглощения атома, то покоящиеся и движущиеся от лазера атомы не поглощают излучение. Атом, движущийся к лазеру со скоростью V , воспринимает частоту

и при n¢ = n 0 поглощает фотон. В результате атом получает импульс против своей скорости и тормозится. Возбужденный атом излучает энергию в среднем изотропно. Излучение в близкой инфракрасной области спектра, созданное полупроводниковыми лазерами и направленное на газ с шести взаимно перпендикулярных сторон, приводит к его охлаждению.

Используется также испарительное охлаждение путем выбрасывания с периферии ловушки атомов, имеющих наибольшую скорость, при помощи высокочастотного магнитного поля. Оно наклоняет магнитные моменты, создает составляющую по направлению поля, которая выбрасывается ловушкой. Частицы с более высокой скоростью быстрее достигают границы газа и их концентрация у границы выше концентрации частиц с малой скоростью. Поэтому больше вероятность испарения высокоэнергичных частиц. Для ловушки на основе катушек происходит охлаждение до температуры газовой фазы порядка 10 –7 К за время от 10 с до 10 мин. Для чипа необходимая для конденсации температура достигается за время меньшее 1 с. Концентрация атомов конденсата составляет ~10 14 см –3 , тепловая энергия соответствует температуре, меньшей 10 –11 К.

В четверг, 24 ноября, в одном из самых престижных научных журналов - Nature - появилась статья ученых, которым впервые удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе фотонов. Вероятнее всего, большинству читателей предыдущее предложение ни о чем не сказало - и не удивительно. Конденсат Бозе-Эйнштейна - это очень специфическая, но невероятно интересная форма вещества, которую иногда называют его пятым состоянием, приравнивая к твердому, жидкому, газообразному и плазме. Когда вещество находится в этом состоянии, в нем начинают на макроуровне проявляться квантовые эффекты - фактически, конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой большую (очень большую) квантовую частицу.

Теория

Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) на основе фотонов - это весьма "продвинутый" вариант КБЭ, и очень долго считалось, что его нельзя получить в принципе. Но прежде чем рассказать о нем, стоит пояснить, а что вообще такое конденсат Бозе-Эйнштейна. Родиной этого понятия может считаться Индия – именно там большую часть времени жил и работал человек, впервые указавший на возможность существования неизвестного ранее состояния материи. Этого человека звали Шатьендранат Бозе, и он был одним из отцов-основателей квантовой механики.

Чтобы отметить научные заслуги Бозе, в его честь был назван один из типов элементарных частиц – бозоны. К бозонам относятся, например, фотоны - переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят сильное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Знаменитый бозон Хиггса, ради поисков которого был создан Большой адронный коллайдер, тоже относится к этой категории элементарных частиц.

Принадлежность частицы к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса элементарных частиц (иногда понятие спина определяют как вращение частицы вокруг собственной оси, но такое представление слишком упрощает ситуацию). Спин бозона всегда целый - то есть выражается целым числом. У другой разновидности элементарных частиц - фермионов - спин полуцелый.

Фермионы (слева) выстраиваются "в линейку" по энергиям квантовых уровней, а бозоны (справа) могут скапливаться на уровне с наименьшей энергией. Изображение выпуска 23 бюллетеня ПерсТ за 2003 год

Бозоны и фермионы отличаются друг от друга не только значением спина - эти частицы несходны по целому ряду фундаментальных свойств. В частности, бозоны могут не подчиняться так называемому принципу, или запрету, Паули, который постулирует, что две элементарные частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния отличаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы (которые строго соблюдают запрет Паули) поочередно заполняют последовательные состояния. Первыми занимаются состояния с наименьшей энергией (самые "ненапряжные" для частиц), а последними – с самой высокой энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям заметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.

Бозоны при низких температурах ведут себя иначе - они не ограничены запретом Паули и поэтому стремятся по возможности занять самые удобные места, то есть квантовые уровни с наименьшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит следующее: они начинают двигаться очень медленно - со скоростями порядка нескольких миллиметров в секунду, очень тесно "прижимаются" друг к другу, "соскакивают" в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано - так, как вела бы себя одна гигантская квантовая частица.

Именно о такой трансформации, которая должна происходить с бозонами при температурах, близких к абсолютному нулю, Шатьендранат Бозе написал в начале 1920-х годов Альберту Эйнштейну. Бозе собирался послать свои выкладки в журнал Zeitschrift fur Physik , но Эйнштейн так вдохновился идеями индийского коллеги, что немедленно сам перевел его статью с английского на немецкий и отправил в редакцию. Создатель общей и специальной теорий относительности развил соображения Бозе (индус рассматривал только фотоны, а Эйнштейн дополнил теорию Бозе для частиц, обладающих массой) и изложил свои выводы еще в двух статьях, которые также были опубликованы в Zeitschrift fur Physik .

Практика

Таким образом, теория КБЭ была, в общем и целом, разработана в первой трети XX века, но получить вещество в этом состоянии ученым удалось только через 70 лет. Причина задержки проста - для того чтобы бозоны начали вести себя как единая квантовая система, их нужно охладить до температуры, отличающейся от абсолютного нуля (минус 273,15 градуса Цельсия) на несколько миллионных долей градуса. Долгое время физики просто не умели добиваться столь низких температур. Вторая сложность заключалась в том, что многие вещества при приближении к абсолютному нулю начинают вести себя как жидкости, а для получения КБЭ необходимо, чтобы они оставались "газами" (слово "газ" взято в кавычки, так как при сверхнизких температурах частицы вещества теряют подвижность - один из основополагающих признаков газа).

В середине 1990-х годов было показано, что щелочные металлы натрий и рубидий при охлаждении сохраняют "правильные" свойства, а значит, теоретически могут перейти в состояние КБЭ (и изотоп рубидия-87, и единственный изотоп натрия-23 имеют целые атомные спины и являются так называемыми составными бозонами). Для того чтобы понизить температуру атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений, исследователи Эрик Корнелл (Eric A. Cornell) и Карл Вимен (Carl Wieman) из JILA - объединенного института Национального института стандартов и технологии США (NIST) и университета штата Колорадо в Боулдере - использовали лазерное охлаждение вместе с охлаждением испарением.

При помощи лазеров атомы охлаждаются так: атом поглощает движущиеся ему навстречу фотоны и затем испускает излучение. При этом происходит постепенное замедление атома, а температура совокупности атомов, соответственно, понижается. Однако одного лазерного охлаждения недостаточно для достижения температур, при которых возможен переход в состояние КБЭ. "Убрать" лишние доли градуса можно, если изъять из смеси самые быстрые атомы (по такому же принципу охлаждается чашка чая, оставленная на столе).

Согласно принципу квантово-волнового дуализма, объекты микромира могут вести себя и как частицы и как волны. Чтобы вещество перешло в состояние КБЭ, его атомы должны сблизиться на расстояние, сравнимое с их длиной волны. Тогда волны начинают взаимодействовать, и поведение отдельных частиц становится скоординированным.

В 1995 году ученым из JILA удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов (один нанокельвин – это 1x10 -9 кельвина), и в итоге они перешли в состояние КБЭ. В экспериментальной камере конденсат удерживался при помощи магнитной ловушки особой конструкции. Через четыре месяца после того, как группа Корнелла и Вимена опубликовала результаты своих опытов, появилась статья физика Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института (MIT), который сумел получить КБЭ на основе атомов натрия. Кеттерле использовал несколько иной принцип удержания атомов в магнитной ловушке, и ему удалось перевести в "пятое состояние материи" намного больше атомов, чем его коллегам из JILA. В 2001 году все трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.

С 1995 года получением и изучением КБЭ занялось множество групп физиков, которые исследовали возникающие в нем завихрения, интерференцию волн между конденсатами и много чего другого. В 2009 году ученым впервые в это состояние атомы кальция - возникающая волновая картина для этого элемента заметно более четкая, чем для щелочных металлов. В 2003 году группа Кеттерле смогла создать аналог лазера из КБЭ и даже получить КБЭ из фермионов. Наконец, в 2010 году был впервые - долгое время многие физики были уверены, что это принципиально невозможно.

В частности, специалисты полагали, что кванты света будут поглощаться стенками экспериментальной камеры и "ускользать" от экспериментаторов. Для того чтобы поймать, охладить и удержать достаточное для получения и изучения КБЭ количество фотонов, ученые из университета Бонна использовали два изогнутых зеркала, расстояние между которыми составляло около 1,5 микрометров - это сравнимо с длиной волны фотонов, находящихся в квантовом состоянии с минимальной энергией.

Метод лазерного охлаждения для фотонов неприменим - они слишком слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому исследователи охлаждали их при помощи специального красителя, который поглощал и испускал кванты света. Фотоны сталкивались с его молекулами и постепенно их температура выравнивалась с температурой красителя. В отличие от атомов, для получения КБЭ на основе фотонов их не нужно охлаждать до нуля кельвинов - переход происходит уже при комнатной температуре. Сами фотоны исследователи "закачивали" в щель при помощи лазера. Переход в состояние КБЭ происходил, когда число фотонов приближалось к 60 тысячам.

У читателей может возникнуть вопрос, а зачем ученые возятся с этим непонятным КБЭ. То есть чисто фундаментальный интерес физиков "пощупать" и непосредственно увидеть проявление закономерностей квантовой механики понятен, но есть ли у "пятого состояния" какое-нибудь полезное практическое применение? Как и в случае с другими физическими открытиями, такой вопрос преждевременен - вряд ли ученые, исследовавшие свойства радиоактивного распада или электронов, могли предсказать, насколько масштабными окажутся последствия их работ.

Во-первых, рано или поздно инженеры придумывают новые приборы, в которых изучаемые объекты используются непосредственно и которые не могли быть изобретены до того, как физики описали свойства этих объектов. А во-вторых, исследование новых явлений расширяет представления людей о физике и позволяет в будущем открывать и объяснять другие неизвестные ранее явления, которые лягут в основу новых приборов и технологий, и так далее.

На данный момент одним из наиболее очевидных практических применений КБЭ считается создание на его основе сверхточных детекторов - например, детекторов магнитного или гравитационного полей. Более детальные предсказания можно будет делать по мере дальнейшего изучения свойств КБЭ, которое продвигается очень-очень быстро.