О том, что такое конденсат Бозе-Эйнштейна, физики-теоретики
узнали в 1924 году, когда Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн
обосновали возможность перевода вещества в особое сверхконденсированное
состояние путем охлаждении до чрезвычайно низких температур. Однако
реализовать этот переход на практике в лабораторных условиях
физикам-экспериментаторам удалось лишь в 1995 году, за что они 6 лет
спустя удостоились Нобелевской премии.
Пятое агрегатное состояние вещества
Конденсат Бозе-Эйнштейна порой именуют пятым агрегатным состоянием
вещества - наряду с твёрдым, жидким, газообразным и плазмой. Главная же
его особенность состоит в том, что образующие его атомы при
температурах, близких к абсолютному нулю, переходят на самый низкий
энергетический уровень из всех возможных, как бы теряют при этом свою
самостоятельность и начинают вести себя как один гигантский атом. "Их
можно воспринимать как атомы, марширующие строго синхронно, - поясняет
Вольфганг Кеттерле, один из нобелевских лауреатов. - Однако на самом
деле речь здесь идет о квантово-механическом взаимодействии, поэтому
вернее было бы, пожалуй, говорить о своего рода огромной волне материи,
волне, в которой согласованно участвуют все атомы".
Самый первый конденсат Бозе-Эйнштейна, полученный экспериментально
американцами Эриком Корнеллом и Карлом Уименом, представлял собой
висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из двух
тысяч атомов рубидия, охлаждённых до температуры, лишь на 2
стомиллионных доли градуса превышающей абсолютный нуль. Спустя всего три
месяца немцу Вольфгангу Кеттерле удалось получить в 100 раз больше
конденсата из атомов натрия.
С тех исследования в этой области идут полным ходом. И вот теперь
группа физиков Боннского университета иммет все основания говорить о
новом прорыве. Ян Клерс (Jan Klärs), один из авторов работы, поясняет:
"Этот эффект в отношении атомов известен с 1995 года. А нам удалось
теперь добиться того же эффекта с фотонами. До сих пор считалось, что
это едва ли возможно".
Ловушка для света
Фотон - это квант (то есть мельчайшая порция) электромагнитного
излучения, элементарная частица, не обладающая массой покоя и способная
существовать, только перемещаясь со скоростью света. Говоря о фотонах,
обычно имеют в виду электромагнитное излучение в видимом диапазоне
частот - проще говоря, свет. То, что фотоны в принципе поддаются
бозе-эйнштейновской конденсации, было ясно давно, но все попытки
добиться этого экспериментально до сих пор заканчивались безрезультатно.
И вот теперь немецким физикам это удалось.
Тут следует напомнить, что если разогревать, скажем, вольфрамовую
нить обычной лампы накаливания, то она начинает светиться сначала
красным, потом желтым, а под конец - даже голубоватым светом. То есть по
цвету излучения можно судить о температуре светящегося объекта: голубой
свет горячее зеленого, зеленый - желтого, желтый - красного. Кроме
того, от температуры зависит и интенсивность излучения: сильно
раскаленная нить светит ярко, а по мере ее охлаждения количество
испускаемых фотонов уменьшается. Поэтому получить необходимое для
конденсации Бозе-Эйнштейна количество холодных фотонов было крайне
сложно.
Ключевым элементом лабораторной установки боннских ученых является
оптический микрорезонатор - миниатюрная ловушка света, выполненная из
изогнутых зеркал, - говорит Ян Клерс: "Это два зеркала с очень высокой
отражательной способностью, то есть они отражают практически весь
попадающий на них свет, так что утечка наружу равна, можно сказать,
нулю. Лазерным лучом в эту камеру, в этот микрорезонатор, мы запускаем
некоторое количество фотонов, и они там мечутся между зеркалами".
Как охладить фотоны?
Поскольку же ширина щели между зеркалами составляет всего 1,5
микрометра, внутри оптической ловушки резонирует только желтый и зеленый
свет - более длинные волны в ней, так сказать, "не помещаются". Но для
получения конденсата Бозе-Эйнштейна все пойманные в ловушку фотоны
должны иметь строго одну и ту же длину волны. Значит, зеленые фотоны с
более высокой энергией следовало охладить до температуры желтых фотонов.
Именно это и считалось долгое время невозможным. Но боннские ученые
нашли выход: они заполнили микроскопическую щель резонатора
ярко-оранжевой жидкостью.
"Обычно, если фотоны охладить, они просто исчезают, - говорит
руководитель проекта, профессор Института прикладной физики при Боннском
университете Мартин Вайц (Martin Weitz). - Краситель же выполняет
функцию хладагента, снижающего температуру фотонов до комнатной. В этом,
собственно, и состоит трюк: благодаря рассеянию на молекулах фотоны
меняют цвет, но не исчезают".
Новые источники света
Наращивая интенсивность лазерной излучения, то есть увеличивая
количество фотонов в микрорезонаторе, заполненном раствором красителя,
исследователям удалось-таки получить конденсат Бозе-Эйнштейна. Этот
переход произошел, когда количество фотонов в ловушке достигло примерно
80 тысяч. "Начиная с этого момента, микрорезонатор начинает испускать
фотоны строго одного цвета, то есть с одинаковой энергией и одинаковой
длиной волны. Они ведут себя как один огромный фотон, что является
типичным признаком бозе-эйнштейновской конденсации", - говорит Ян Клерс.
Конечно, все это - строго говоря, сугубо фундаментальные исследования
в области квантовой оптики. Но их прикладное значение просматривается
уже сегодня. Ведь получение конденсации Бозе-Эйнштейна в разреженных
газах из атомов щелочных металлов 15 лет назад позволило очень быстро
создать совершенно новый источник света - атомный лазер, в котором
источником когерентного излучения служили синхронизированные атомы.
Нынешнее открытие боннских ученых не менее перспективно: на основе
фотонного конденсата Бозе-Эйнштейна могут быть созданы лазеры,
излучающие в диапазоне очень коротких волн. Потребность в таких
ультрафиолетовых или даже рентгеновских лазерах сегодня очень велика -
прежде всего, в медицине, а также в производстве полупроводниковых
компонентов.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман
http://www.dw-world.de/dw/article/0,,6301822,00.html
