Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна?

Начать стоит с того, как ведут себя атомы в пространстве и даже во времени. Частицы всегда находятся в непрерывном тепловом движении. Пока у частиц есть тепловая энергия, они будут перемещаться и двигаться. Ну, а пока частицы двигаются, всегда будут какие-то пульсации, перемещения и любые перемещения. Даже в абсолютном вакууме, где нет как таковых материальных частиц, нам стоит ожидать увидеть какие-то флуктуации поля и много чего еще интересного.

Обычно читателя очень сильно удивляет, что если мы посмотрим, допустим, на металлический образец, который является твёрдым в данный момент времени, там тоже есть движение и тоже есть жизнь. На самом деле всегда это муравейник из атомов и из более мелких субатомных частиц.

Движения оказывают разные «гадкие» влияния. Почему у нас с вами, например, есть проблемы с разработкой и созданием квантового компьютера, который будет способен работать дома при обычных условиях? Дело в том, что квантовые явления не работают в макромире. Им мешают так называемые макрофакторы. Самый главный из них — тепловое движение. Пока тепловое движение есть, наблюдать, например, квантовую запутанность будет как минимум очень сложно. Если у нас с вами нарушается температурный режим, то неизбежно рассыпаются и различные квантовые зависимости.

Именно поэтому, если вы посмотрите на конструкцию квантового компьютера, то увидите, что это всегда процессор 10 на 15 сантиметров и модуль охлаждения, размером с дачный домик.

Было предположено, что систему частиц можно охладить до около нулевых температур. Мы говорим не про ноль по шкале Цельсия, а про абсолютный ноль по шкале Кельвина. Я напомню, что достичь абсолютного нуля невозможно в текущих реалиях и об этом тоже была моя заметка на ixbt.

Предполагалось, что в какой-то момент сильно охлаждённая группа частичек может начать себя вести как одна большая частица. Квантовые эффекты частиц войдут в некоторое взаимодействие и мы увидим, например, квантовую запутанность на уровне макроскопических тел. Впрочем, интересно даже само странное состояние материи, которое соответствует математическому предсказанию.

Это странное поведение системы настолько интересное, что некоторые учёные обозначают конденсат Бозе- Эйнштейна как пятое агрегатное состояние вещества. Хотя на самом деле, если считать агрегатное состояние вещества, то там не только 5, а все 25.

Полезно отметить, что причина базе конденсации — это не взаимодействие между частицами, а свойство симметрии волновой функции, описывающей систему частиц. И это логично следует из того, что сам по себе конденсат Бозе- Эйнштейна — это состояние, которое было предсказано математически. Сначала получили некоторую математическую выкладку, которая описывала специфическое поведение волновой функции, предполагающее, собственно говоря, такое строение системы (на модели было видно максимумы и минимумы, при этом максимумы выстраивались в ровную линию, что демонстрировало синхронность системы), а только потом смогли воссоздать это состояние на практике. Конечно хочется здесь свести все к простому пониманию, что частицы просто перестали двигаться или практически перестали двигаться, но на самом деле явление куда более интересное и куда более глубокое.

Простым охлаждением в холодильнике, как вы, наверное, догадываетесь, получить конденсат Бозе-Эйнштейна невозможно. Это делается посредством лазерного охлаждения. Мы можем взять атомы рубидия, воздействовать на них определенным образом и получить систему, в которой у атомов практически не будет тепловой энергии.

Получается, что если нам удастся успокоить «муравейник» из частиц, то мы будем наблюдать интересные проявления разных свойств. Как нам его успокоить? Конечно же, лишить частиц тепловой энергии. Конденсат Бозе-Эйнштейна — это и есть система, которая получена из частиц, лишённых тепловой энергии. Если отняли тепловую энергию, всё практически замирает, а система становится чем-то напоминающим новое агрегатное состояние вещества с особенными свойствами.