Пятое состояние вещества

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.

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).

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 удалось перевести 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 получен КБЭ на основе фотонов - 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.