身体的

量子凝聚液的传奇

爱因斯坦预测,在非常低的温度下,完美气体的原子都以相同的状态聚集在一起。今天,物理学家即将表明某些气体的分子也经历了这种凝结。

YVAN CASTIN. 对于Science N°326
本文保留用于科学用户
“这是一个美丽的理论,但它是否包含了真实的? 1924年,引入爱因斯坦对他刚刚获得的令人惊讶的预测评论为完美气体的非常低温的行为,也就是说一种不相互作用的气体颗粒气体(配备有质量)。根据其计算,在一定临界温度下方的这种“浓缩”气体,也就是说,材料颗粒的显着分数 - 相同的且不相互作用 - 其同时采用相同的状态:最低能量状态。为达到这一结论,爱因斯坦适用于在光子气体,颗粒的情况下由年轻印地印度物理学家发明的方法,没有质量与电磁波相关的方法。他发现了将Einstein的困难提出了他的作品,以解决爱因斯坦,其中,将电磁辐射作为相同颗粒(光子)的气体,他发现了普朗克的法律。本法给出了黑体电磁辐射能量的频率分布,即由一个小孔刺穿的热平衡中的扬声器。非常感兴趣,爱因斯坦反映了博物士的工作,并在德国发布了它,然后通过相同的方法研究相同的硬件粒子的行为来完成它。

因此,爱因斯坦预测了“Bose-Einstein的凝结”,他不相信的现象。然而,他的开创性工作和啤酒的开拓性与量子统计物理学,一个致力于在大量粒子内研究量子现象的物理学领域。物理学家将在气体中提出70年来进行Bose-Einstein凝聚,但它们将成功地将量子统计物理学方法应用于其他现象,例如氦气的超浊度或在低​​温下的某些材料的超导性。温度。我们将在这里告诉这里 - 从确认目前的研究初步预测 - 这是一个域名的发展,爱因斯坦只制造了那个皱巴巴的,而且他是创始人。

量子统计物理学所描述的效果的壮观性质是它们对肉眼可见,在量子现象的情况下是罕见的。这是因为它们涉及宏观系统的颗粒的显着比例。爱因斯坦是第一个突出由啤酒建立的公式突出这个事实。当时和爱因斯坦对应时,量子物理学尚未完全开发,但是在波力学之前,一种对应于每个粒子的波浪的理论 反之亦然。 Bose使用这种对应关系来计算占据扬声器中的光子气体的光子气体的定义功率状态的光子的平均光子数。其结果涉及模式的温度和能量。作为爱因斯坦所知,Bose的推理适用于光子,而且还适用于能够在任何数字中占据任何模式的所有颗粒;我们将稍后将它们命名为Bosons。

如果讨论法律适用于主题,会发生什么?“爱因斯坦奇迹。为了解决这个问题,他选择考虑在外壳中封闭的完美气体的简单情况。与这些颗粒相关联的材料波可以是各种明确的定义模式或能量条件。基本模式是最低能量模式。存在零速度的颗粒。其他模式是如此称为激励:颗粒具有速度,因此具有非零动能。应用完美的气体培养配方,爱因斯坦指出,它将天花板设定为兴奋模式中的平均粒子数。该最大值与扬声器的体积成比例,并且与热波长的立方体成反比,也就是说与热平衡(随时间介质动能恒定的粒子恒定)相关的波的长度。

在古典物理学中,非零速度粒子数量的这种限制值是不可理解的:当温度不零时,没有法律限制激发颗粒的数量!在量子理论中,就是在1924年在爱因斯坦的波浪力学中说,这种现象意味着如果外壳中存在的粒子的数量超过天花板,则占星颗粒在零中累积在基本模式下,即在空中累积速度状态。结果 ?如果粒子的总数是极限值的两倍,则考虑的气体颗粒的一半必须具有零速度。与每个激发模式不同,因此,即使气体中的平均动能(温度)足以留下基本模式以填充基本模式以填充基本模式以填充兴奋模式,基本模式也是由非常大的颗粒填充。

累积在基本模式中的所有颗粒构成了Bose-Einstein冷凝物,并且导致这种冷凝物的发生的相变被称为Bose-Einstein的缩合。鉴于上述限制,当粒子密度乘以热波长的立方体超过数字常数时,会发生Bose-Einstein冷凝,这是Einstein在2.612处评估的。特别地,Bose-Einstein冷凝温度均低于气体密度低。

爱因斯坦导致怀疑主义

爱因斯坦的预测受到怀疑主义的欢迎,因为他的同时代人没有看到他的理论如何应用。我们判断:具有摩尔质量的气体的Bose-Einstein冷凝温度和环境空气的密度仅为绝对零的五个程度。现在这种温度远低于液化温度,甚至凝固,普通的化学物质......这是制造的 先验 逼真的选择通过爱因斯坦忽视粒子之间的相互作用。最后,预测Bose-Einstein的冷凝物的可能存在是波浪力学的应用,这是一个理论,然后是未知的,因为几乎没有出生......

然而,今天,数十名物理学家的物理学家产生了Bose-Einstein凝聚液。首先是1995年由埃里克·康奈尔和卡尔伍德在科罗拉多大学,博尔德·博尔德·博尔德省的铷天然气获得,并由Wolfgang Ketterle在马萨诸塞州理工学院(诺贝尔奖2001年)。这些物理学家如何越过爱因斯坦的困难?首先,它们冷却铷和钠蒸汽不在硬件室(颗粒会粘在墙壁上!),但在一个完全无关的磁力陷阱中。因此,它们的密度低于环境空气的百万次。这导致Bose-Einstein冷凝温度在绝对零高于绝对零的百万度。然而,如果钠和铷在该温度下固体,它们的密度是如此之低,使其凝固非常慢。只有原子之间的罕见碰撞可能会将蒸汽变为固态。让我们看看如何。

首先考虑两个原子之间的碰撞。两种原子的运动量和总能量保持在碰撞的末端,因此是弹性的。这禁止外观化学键。但分子的形成将是升温的第一步。然而,双体碰撞重新分配了整个体积的原子之间的运动量,从而建立了热伪平衡,这由母母法描述。如果达到过转变温度,它可以导致形成Bose-Einstein冷凝物。

三个身体碰撞怎么样?可以表明,能量的守恒和运动量不再防止碰撞后的分子形成。恰好的是,两个原子形成束缚状态,而在高速下喷射的第三个是通过形成化学键的形成能量。因此,三体碰撞或更多有助于将气体变为凝固。然而,在低密度,它们非常罕见。从该分析中出现,在非常低的温度下,钠和铷蒸气具有相当低的密度,使物理学家在通过碰撞之前观察Bose-Einstein冷凝物的形成,以至于两个以上的碰撞。

事实上,物理学家在1995年成功的原点解决的主要问题是在磁阱中百万百万百万百万百万的温度冷却气体。他们首先呼吁由威廉菲利普斯群体开发的激光冷却技术 NIST (国家标准与技术研究所) 在Gaithersburg,Claude Cohen-Tannoudji,位于巴黎的巴黎正常学校,斯坦福大学史蒂文楚。这些技术降低了不捕获的气体温度,在热波长的立方体密度的乘积比临界值2.612低一百万倍的饮食中,饮食中的气体温度降低。原子的磁俘获与蒸发冷却结合的是增加气体密度的关键思想,同时获得Microkelvin以下的温度。

蒸发冷却包括逐渐减小磁捕集的深度,使得较高的能量原子逸出(见图2)剩余的原子具有较低的平均能量,并且由于碰撞,在较低温度下的热平衡方向发展。这达到了冷凝所需的临界值。

当原子蒸发时

这达到了达到的浓缩物的凝结物。为了证明它的存在,E.康奈尔和C.Wieman拆除了陷阱并留下了原子云延伸到“自由飞行”。 10毫秒后,它们用激光映射了气体的密度。如果存在缩合物,则测量的密度曲线具有特征结构:它由宽底部出现的窄峰组成(见图1)峰值对应于冷凝物的原子,以及宽底部到另一个原子。由于其动能,后者已经扩大了热能的顺序,这里比冷凝物原子的能量高十倍。进一步观察到,峰值仅在另一个方向上较窄,而在物质上没有任何优选的方向。峰的这种各向异性是由E.Cornell和C.Wieman使用的捕获电位在两个方向之一中更强大的事实。她在令人信服的科学界已经发挥了巨大的作用,以获得嗜好 - 爱因斯坦凝结物。在这个突破后几个月,W. Ketterle与不同的实验装置得到了类似的结果。

我们对Bose-Einstein凝聚律的了解了什么?首先,Bose法律有效。为了验证它,是一个关于其实验对应的问题,理论曲线根据气体温度给出冷凝物中的原子比例的理论曲线。通过在窄峰的原子数与原子的总数之间有关来获得这种伟大,而气体的温度从底部的尺寸推导出来。由E.Cornell和C.Wieman获得的曲线接近于从Bose法扣除的预测。 Alain Apports组的更精确的措施,在Orsay Optituts of Opto的光学研究所,表现出轻微的偏差,但是可以通过实验气体不是气体完美的事实来解释:其原子相互作用,这降低了临界温度和临界温度与完美气体冷凝物的情况相比,浓缩原子的比例。然而,在实践中,原子的相互作用非常低,超过90%的原子在低温下凝聚。我们正在谈论几乎纯净的冷凝水。

宏观波功能

然而,这些相同的相互作用会影响冷凝水波函数。请记住,在量子力学中,物理系统的状态被其波函数描述,时间和空间的函数,其正方形赋予构成系统的颗粒的存在概率。在1995年的气体中,凝结力波函数对冷凝物波函数的影响很少,因为它没有比2,000原子介​​组。在随后的实验中,特别是W. Ketterle,这个数字已经超过一百万。 Lene Hau,来自波士顿的罗兰研究所,模具陷阱内部钠原子的几乎纯净冷凝物的密度曲线。似乎这种轮廓比捕集器中原子的基本模式宽,因为凝结物在内部力的效果下的冷凝水沸腾。

原子气体实验也揭示了对我们规模的量子相干。来自光学元件的这种概念描述了两个光束干扰的容量。当它们保持一致时,它们在交叉时产生黑暗和明亮区域的交替,命名为干涉条纹。来自相同激光源的两个光束例如是相干的,而不是电灯泡的梁的情况。可以通过在任何一点和每一刻,相位和明确限定的幅度的电磁场来描述相干激光束。类似地,Bose-Einstein冷凝物在原子处,电磁场是光颗粒,即对光子:描述它的波函数也具有相位和明确限定的幅度。。因此,由相同的冷凝物或甚至两种性质缩合物产生的两束原子产生的“材料波”的干扰。

这是这种情况。 W. Ketterle通过在具有两个最小潜力的陷阱中制备两个冷凝水,然后去除诱捕。然后将两个冷凝物铺展以覆盖。每个冷凝物在膨胀期间获得空间变化的阶段。当两个冷凝物盖时,总原子场是每个冷凝物的原子场的相干覆盖,使得其强度必须具有特征空间变化,类似于干涉条纹。这就是通过制作密度卡观看的W. Ketterle(见图3.)然后由慕尼黑大学的Tilman Esslinger和TheodorHänsch进行更具定量的干扰经验。这些物理学家施加了两个井所选择的频率的电磁场,以将气体原子的旋转状态改变为两个单独的区域,这具有释放这些磁捕获的这些原子的效果。该操作产生两个“自由落体”原子喷射器。在低于冷凝温度的温度下,这些喷气机通过产生干涉条纹重叠:然后是“材料波激光束” (见图4)。已经进行了许多其他实验来测试用于冷凝物的预测性质,特别是验证它们是超氟(W. Ketterle),它们在旋转中形成量子旋流(Jean Dalibard,普通学校)等。

所有这些结果证明了目前在量子气体中统治的渗透性。自1995年已确认爱因斯坦的旧预测以来,两个主要的研究前沿开放:对FERMION凝结物的研究以及量子状态强烈相关。因此,宏观量子状态表示颗粒彼此分布:它们是相关的。这种相关性来自相互作用,在这样的系统中发挥的作用更重要的作用,而不是Bose-Einstein冷凝物。第一种重相关的原子州是在2001年获得的,在慕尼黑Immanuel Bloch和T.Hänsch获得。它构成了在冷凝物物理学中所谓的绝缘材料所谓的原子等同物,也就是说,其绝缘性是由于通过强烈的电磁相互作用阻断导致的材料。为了获得它们的强烈相关状态,I.Bloch和T.Hänsch在三个空间方向上叠加在几乎纯净的凝结水上。该波产生周期性的微生物布置,可与蛋盒的周期性空洞相媲美(见图6.

如果固定激光波很小,原子通过隧道效应容易地从一个捕集器到另一个捕集器。在每个中空中,只要保持初始冷凝物的相干性,原子的数量就不固定。通过去除捕获电位来实现这种扩展的相位相干性:截断的原子然后展开,然后满足,创造材料波干扰。这些尤其在自由飞行后原子云中存在密度峰(见图6B.

渗透体质

另一方面,如果存在太大增加激光的强度,则难以通过隧道效应从一个捕集器移动到另一个捕集器。与它们的相互作用有次级(例如薄片绝缘中的电子),原子通过含有所有相同数量的原子的基团分布在陷阱中。气体的相干消失:当捕获电位被抑制时,自由飞行后原子的密度没有干扰 (见图6D)。其他状态强烈的原子相关是主题研究的主题,例如,其中状态在量子霍尔效应的基础上强烈相关。

在第二次研究前,物理学家专注于从爱因斯坦预测的不同类型的凝聚。他们试图从费粒片中创建它们,也就是说,与构成Bose-einstein的冷凝物不同的玻子不同的颗粒,不能在相同量子状态中是两个(或更多个)。由于玻色子,所考虑的颗粒可以是原子:例如,锂6是乳腺原子。 先验除非有吸引力的力使它们结合并形成对,否则这些颗粒不能形成冷凝物。例如,当两种发酵原子之间的吸引力相当强烈地产生分子时,这种情况发生。但结果表明,如果它们的平均距离保持大于其尺寸,则这些分子可以被视为玻色子。如果是这种情况,它们可以经历Bose-Einstein的凝结(见图5.)几个分子凝聚氨酸在洛克布鲁克大学的科罗拉多大学的Deborah Jin Grimm,在Innsbruck,W.Ketterle和Christophe所罗门大学的鲁道夫Grimm获得了不到一年前。较高的正常学校。

当原子之间的吸引力不足以形成分子时会发生什么?已经向具有超导性的物理学家呈现了类似的情况,即在某些金属内的任何电阻的低温消失。美国人John Bardeen,Leon Cooper和John Schrieffer于1957年开发了一个理论,解释了电子之间的弱吸引力的现象。根据这个所谓的理论 BCS.,电子(发酵)缔合以形成名为Cooper对的高射线对。同样,一些有吸引力但原子之间的相互作用将产生成对的原子库。这些对将松散地联系起来,也就是说它们的半径大于乳硅原子之间的平均距离。出于这个原因,他们不会是玻色子(见图5.)尽管这一点,在足够低的温度下,这些对可以经历类似于Bose-Einstein的缩合的现象,产生具有高相干的介质。目前,由于使用磁场调整相互作用强度的可能性,几组测试这些预测。几个月前,D. Jin和W. Ketterle突出了原子对凝聚物,其半径为原子之间的平均距离的顺序:显着的结果,但在分子凝聚物之间的中间饮食中获得的中间饮食和成对的组合物的副转化物之间获得的中间饮食。

所有这些研究表明,在固体物理学中研究的原子气体和系统之间的类比。更容易处理,原子气体能够推导我们,例如,在我们对高温下的超导性的理解中?这不会是他们最不兴趣的。

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