Kad atomi đuskaju svi kao jedan- Boze-Ajnštajnov kondenzat

Prvi put predviđen u radovima Alberta Ajnštajna i Satiendra Nejt Bozea Boze-Ajnštajnov kondenzat (BAK) predstavlja sveti gral eksperimentalne fizike na čije je postizanje eksperimentalna fizika utrošila 70 godina.

Razvijanjem kriogenskih tehnika, snižavanjem temeprature sve niže i niže, priroda nam je otkrila niz fenomena koji bi inače ostali nedostupni za naša čula. Na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli materija se ponasala mimo očekivanja, a grana fizike koja proucava ponašanje materije koje odstupa od očekivanog naziva se super fizika.

Čovek može sebi postaviti pitanje zašto je postizanje niskih temperatura toliko važno za fiziku? Odgovor na to pitanje je sasvim jasan: Zato što nam je prirodna na niskim temperaturama sakrila gomilu fenomena i čudesnih ponašanja materije potpuno nedostupnim našim čulima i načinu razmišljanja.

Razvoj super fizike počinje 1911. sa okrićem fenomena koji se naziva super-provodnost. Nastavlja se otkrićem još jednog čudnog fenomena -superfluidnosti. Naime 1937. Kapica je otkrio da koeficijent viskoze Helijuma-4 postaje nula  kada se on ohladi na temperaturu od 2.18 Kelvina. Takav helijum neprestano teče u svim pravcima i naziva se superfluid.

Kada su kriogenske tehnike uznapredovale dovoljno da je postizanje temeratura reda veličine mikrokelvina bilo moguće fizicari su to iskoristili za ispitivanje ultra hladnih atomskih sudara.

Kada je fizika najzad dostigla visok stepen razvoja, i mogućnost da postignte temperaturu reda veličine nano Kelvina (170 nK) u jednoj laboratoriji najzad je uspešno izolovan Boze-Ajnštajnov kondenzat. U originalnom eksperimentu 1995. Erik Kornel i Karl Vajnman uspeli su da postignu stanje materije poznato kao Boze-Ajnštajnov kondentat. U svom eksperimentu koristili su Rubidijum. Za ovo otkriće dvojici naučnika dodeljena je Nobelova nagrada za fiziku 2001.

Istorijat Boze-Ajnštajnov kondenzat

BAK je jedan od najintigrantnijih fenomena predviđenih statističkom kvantnom mehanikom. Ono što je jako zanimljivo je to što je Ajnštajn predvideo postojanje BAK-a pre potpunog razvoja kvantne teorije i poznavanju razlika između fermiona i bozona. Oduvek se postvaljala veza između super stanja materije, Boze-Ajnštajnovog kondenzata i superfluidnosti tečnog helijuma. Takođe pokazano je da je BAK i u uskoj vezi sa Superfluidnošću, naime do superfluidnosti dolazi kada se Kuperovi parovi u superprovodniku ponašaju kao BAK.

BAK je jedinstven i zato što do njega dolazi čak i u odsustvu interakcija!!!

Problem izolovanja BAK-a je sasvim jednostavan: Gas treba ostati u gasnom stanju sve dok talasne funkcije pojedinih molekula gasa ne počnu da se preklapaju (postanu identične). Ovo je bio jako veliki problem zato što su većina gasova na graničnoj temperaturi Boze-Ajnštajnovog kondenzata već tečni ili čvrsti. Ovaj problem teorijski bio bi rešen razređivanjem gasa na stohiljaditi deo gustine vazduha. No u praksi bilo je jako teško pronaći gas koji bi ispunio ovaj uslov (mogao da se dovoljno rashladi)

Dva tipa hlađenja koriste se da se gas ohladi:

1.Lasersko pred-hladjenje

Kod laserskog pred-hladjenja laserski zrak rasejava se na atomu. Rasejani zraci pokazuju plavi pomak-odvode više energije nego što incidentni laserski zrak dovodi

2.Nakon predhladjenja atomi su dovoljno hladni da budu zatvoreni u magnetnu klopku. Klopka bez zidova je neophodna zato što bi da sud u kome se gas hladi imao zidove efekti interakcije zidova i atoma bili takvi da bi se atomi zadržali na površini suda.

Ovde se primenjuje nešto što se zove prisilno hladjenje isparavanjem. Dimenzije magnetne klompe se redukuju tako da atomi sa najvećom energijom napuštaju zamku.

Najveći broj gasova postiže preklapanje talasne funkcije izmedju 500 nK i 2K i na gustinama  i . Najveći broj atoma u kondenzatu ima kondenzat natrijuma (100 miliona atoma) i milijardu atoma za vodonik .

Većina kondenzata su u obliku lopte (prečnika 10-50 m) i u obliku valjka (15m u prečniku osnove i 300 m u visini).Celokupan postupak hladjenja proizvodi kondenzat na vremenski interval od nekoliko sekundi do par minuta.

Istorijski važni datumi za Boze-Ajnštajnov kondenzat

• Jul 1924. Ajnštajn prevodi rad Nejta Bozea vezan za izvodjenje Plankovog zakona na potpuno nov način
• 10 Jul 1924.-8 Jan. 1925 Ajnštajn izvodi isti zakon za čestice koje se ne razlikuju predvidevši pri tom postojanje novog stanja materije
• 1938. Pjotr Kapica otkriva superfluidnost Helijuma četiri
• 5. Jul 1995. BAK je po prvi put izolovan u laboratoriji

Tabela izolovanih BAK-ova:

• 5. Jun 1995. JILA (E.Cornell et all)
• Jul 1995. Rice Unv. (R Hullet et all)
• Sept. 1995. MIT (W.Ketterle et all)
• 24. Jun 1998. MIT (Klappner et all)
• 12 Februar 2001. ENS (A. Aspect et all)

Rezultat svih ovih eksperimenta bio je isti. Postignuto je takvo stanje materije u kome  promena neke osobine jednog od atoma (npr. brzine kretanja) odmah uslovljava promenu iste osobine kod svih ostalih atoma čak i kada ti atomi medjusobno ne interaguju (ne deluju nikakvim silama jedan na drugi)!!! Do ove čudne pojave dolazi zbog važenja zakona kvantne mehanike. Ponašanje čestica u kvantnoj mehanici opisano je objektom koji se zove Talasna Funkcija. U slučaju Boze-Ajnštajnovog kondenzata sve talasne funkcije pojedinačnih atoma urušavaju se u jednu talasnu funkciju zbog niske temperature i pritiska(tzv. Wave Function Overlap). U šali se slobodno može reći sledeće: Kada bi jedan od atoma BAK-a zaigrao kolo poznato kao Svrljiška Rumenka ostali atomi bi odmah zaigrali isto kao on.