Физики впервые получили конденсат Бозе-Эйнштейна на основе кальция

Группе немецких физиков впервые удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе атомов кальция. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Коротко ее суть изложена в пресс-релизе немецкого Федерального физико-технического института.

Конденсатом Бозе-Эйнштейна называют агрегатное состояние материи при температурах, близких к абсолютному нулю. Разница с точкой абсолютного нуля (минус 273,15 градуса Цельсия) не должна превышать миллионных долей градуса. При этом атомы находятся в минимальных квантовых состояниях и их можно описать только законами квантовой механики. Фактически, находящиеся в виде конденсата Бозе-Эйнштейна атомы представляются как волны. Они могут накладываться друг на друга и образовывать гигантские (до миллиметра) суперволны, которые можно непосредственно наблюдать.

До сих пор конденсат Бозе-Эйнштейна был получен только на основе атомов щелочных металлов - рубидия и натрия. Волновая картина, возникающая в конденсате Бозе-Эйнштейна, очень сильно зависит от условий, в которых он находится. Теоретически, вещество в этом состоянии можно использовать как чувствительный детектор, например, магнитного или гравитационного полей. Однако щелочные металлы дают слишком размытую картину, не позволяющую применить их на практике.

Кальций, напротив, характеризуется очень узкой спектральной линией. Чтобы получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе кальция, ученые взяли 2х10⁶ атомов кальция, охлажденных в магнитооптической ловушке до температуры около 20 микрокельвинов (приставка микро- означает одну миллионную часть чего-либо). Эти атомы захватывались оптическим пинцетом. Постепенно его "хватка" ослабевала, и часть более горячих атомов кальция испарялась, охлаждая оставшуюся совокупность атомов. В ходе этого процесса около 2х10⁵ атомов охладились до температуры 200 нанокельвинов. Пятая часть из этого количества достигла еще более низкой температуры и перешла в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна.

Существование конденсата Бозе-Эйнштейна было предсказано Эйнштейном в 1925 году на основе работ Шатьендраната Бозе. Впервые рубидий удалось перевести в это состояние в 1995 году. За эту работу в 2001 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

За прошедшие 14 лет ученые исследовали некоторые свойства конденсата Бозе-Эйнштейна. Совсем недавно группа физиков привела доказательства, что в конденсате Бозе-Эйнштейна может существовать модель магнитного монополя Дирака, который часто описывают как магнит с единственным полюсом.

Физики научились решать молекулярный "квартирный вопрос"

Физики разработали технологию, позволяющую проводить химические реакции между отдельными молекулами. Работа авторов опубликована в журнале Proceedings of SPIE. Основная суть нового метода изложена в пресс-релизе Национального института стандартов и технологий.

Ученые добились селективности, поместив реагирующие молекулы в капли воды. Для осуществления реакции капли совмещаются друг с другом. "Управление" осуществляется при помощи лазерных лучей. Варьируя параметры луча, ученые могут захватывать не только отдельные капли, но и несколько капель за раз.

Самой сложной частью работы оказалось создание капель. Для дробления потока воды на фрагменты ученые использовали узкие - шириной около 35 микрометров - ворота. Небольшой объем воды воды, окруженный слоем масла, "протискивался" через отверстие. Масляная оболочка оказывала давление на водное содержимое, которое усиливалось при прохождении ворот. На выходе из-за резкого спада напряжения водяная "колбаса" делилась на отдельные капли. Их размер был строго одинаковым и определялся шириной ворот. И именно в воротах внутрь капли попадали нужные молекулы-реагенты: они были нанесены на "створки". Видео всего процесса доступно здесь.

В последние годы ученые активно осваивают технологии работы с микроскопическими объемами жидкостей. В перспективе именно на так называемых микрожидкостных чипах - миниатюрных "лабораториях", умещающихся на предметном стекле, - будут проводить большинство медицинских анализов и научных тестов. В ходе экспериментов ученые обнаружили у капель множество неожиданных свойств. Так, недавно физики обнаружили, что они могут "нарушать" законы физики.