Condensado de Bose-Einstein - Bose–Einstein condensate

Condensação esquemática de Bose-Einstein versus temperatura do diagrama de energia

Na física da matéria condensada , um condensado de Bose-Einstein ( BEC ) é um estado da matéria que normalmente é formado quando um gás de bósons em baixas densidades é resfriado a temperaturas muito próximas do zero absoluto (−273,15 ° C ou −459,67 ° F) . Sob tais condições, uma grande fração de bósons ocupa o estado quântico mais baixo , ponto no qual fenômenos da mecânica quântica microscópica , particularmente a interferência da função de onda , se tornam aparentes macroscopicamente . Um BEC é formado pelo resfriamento de um gás de densidade extremamente baixa (cerca de 100.000 vezes menos denso que o ar normal ) a temperaturas ultrabaixas.

Este estado foi predito pela primeira vez, geralmente, em 1924-1925 por Albert Einstein seguindo e creditando um artigo pioneiro de Satyendra Nath Bose no novo campo agora conhecido como estatística quântica .

História

Dados de distribuição de velocidade (3 visualizações) para um gás de átomos de rubídio , confirmando a descoberta de uma nova fase da matéria, o condensado de Bose-Einstein. Esquerda: pouco antes do aparecimento de um condensado de Bose-Einstein. Centro: logo após o aparecimento do condensado. À direita: após nova evaporação, deixando uma amostra de condensado quase puro.

Bose primeiro enviou um artigo a Einstein sobre as estatísticas quânticas dos quanta de luz (agora chamados de fótons ), em que derivou a lei da radiação quântica de Planck sem qualquer referência à física clássica. Einstein ficou impressionado, traduziu ele mesmo o artigo do inglês para o alemão e o submeteu para Bose ao Zeitschrift für Physik , que o publicou em 1924. (O manuscrito de Einstein, que se acreditava estar perdido, foi encontrado em uma biblioteca da Universidade de Leiden em 2005 .) Einstein então ampliou as idéias de Bose para ter importância em dois outros artigos. O resultado de seus esforços é o conceito de um gás de Bose , regido pelas estatísticas de Bose-Einstein , que descreve a distribuição estatística de partículas idênticas com spin inteiro , agora chamadas de bósons . Bósons, partículas que incluem o fóton , bem como átomos como o hélio-4 (4
Ele
), podem compartilhar um estado quântico. Einstein propôs que o resfriamento dos átomos bosônicos a uma temperatura muito baixa faria com que eles caíssem (ou "condensassem") no estado quântico mais baixo acessível , resultando em uma nova forma de matéria.

Em 1938, Fritz London propôs o BEC como um mecanismo de superfluidez em4
Ele
e supercondutividade .

A busca pela produção de um condensado de Bose-Einstein em laboratório foi estimulada por um artigo publicado em 1976 por dois diretores de programa da National Science Foundation (William Stwalley e Lewis Nosanow). Isso levou à busca imediata da ideia por quatro grupos de pesquisa independentes; estes foram liderados por Isaac Silvera (Universidade de Amsterdã), Walter Hardy (Universidade da Colúmbia Britânica), Thomas Greytak (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) e David Lee (Universidade Cornell).

Em 5 de junho de 1995, o primeiro condensado gasoso foi produzido por Eric Cornell e Carl Wieman na Universidade do Colorado em Boulder NIST - JILA lab, em um gás de átomos de rubídio resfriado a 170 nanokelvins ( nK ). Pouco depois disso, Wolfgang Ketterle , do MIT, produziu um condensado de Bose-Einstein em um gás de átomos de sódio . Por suas realizações, Cornell, Wieman e Ketterle receberam o Prêmio Nobel de Física de 2001 . Esses primeiros estudos fundaram o campo dos átomos ultracold , e centenas de grupos de pesquisa ao redor do mundo agora produzem BECs de vapores atômicos diluídos em seus laboratórios.

Desde 1995, muitas outras espécies atômicas foram condensadas, e BECs também foram realizados usando moléculas, quase-partículas e fótons.

Temperatura critica

Esta transição para BEC ocorre abaixo de uma temperatura crítica, que para um gás tridimensional uniforme consistindo de partículas não interagentes sem graus de liberdade internos aparentes é dada por:

Onde:

é a temperatura crítica,
a densidade da partícula ,
a massa por bóson,
a constante de Planck reduzida ,
a constante de Boltzmann e
a função zeta de Riemann ;

As interações mudam o valor e as correções podem ser calculadas pela teoria do campo médio . Esta fórmula é derivada da descoberta da degenerescência do gás no gás de Bose usando as estatísticas de Bose-Einstein .

Derivação

Gás Bose Ideal

Para um gás de Bose ideal , temos a equação de estado:

onde é o volume por partícula, o comprimento de onda térmico , a fugacidade e

É perceptível que é uma função monotonicamente crescente de in , que são os únicos valores para os quais as séries convergem. Reconhecendo que o segundo termo do lado direito contém a expressão para o número médio de ocupação do estado fundamental , a equação de estado pode ser reescrita como

Porque o termo da esquerda na segunda equação deve ser sempre positivo, e porque , uma condição mais forte é

que define uma transição entre uma fase gasosa e uma fase condensada. Na região crítica é possível definir uma temperatura crítica e comprimento de onda térmica:

recuperando o valor indicado na seção anterior. Os valores críticos são tais que se ou estivermos na presença de um condensado de Bose-Einstein. Entender o que acontece com a fração de partículas no nível fundamental é crucial. Assim, escreva a equação de estado para , obtendo

e de forma equivalente .

Portanto, se a fração e se a fração . Em temperaturas próximas de 0 absoluto, as partículas tendem a se condensar no estado fundamental, que é o estado com momento .

Modelos

Gás não interagente de Bose Einstein

Considere uma coleção de N partículas não interagentes, que podem estar cada uma em um de dois estados quânticos , e . Se os dois estados são iguais em energia, cada configuração diferente é igualmente provável.

Se podemos dizer qual partícula é qual, existem diferentes configurações, uma vez que cada partícula pode ser in ou independente. Em quase todas as configurações, cerca de metade das partículas estão dentro e a outra metade dentro . O equilíbrio é um efeito estatístico: o número de configurações é maior quando as partículas são divididas igualmente.

Se as partículas são indistinguíveis, no entanto, existem apenas N +1 configurações diferentes. Se houver K partículas no estado , haverá N - K partículas no estado . Se alguma partícula em particular está no estado ou no estado não pode ser determinado, então cada valor de K determina um estado quântico único para todo o sistema.

Suponhamos agora que a energia de estado é ligeiramente maior do que a energia do estado de um montante de E . Na temperatura T , uma partícula terá uma probabilidade menor de estar no estado por . No caso distinguível, a distribuição de partículas será levemente inclinada para o estado . Mas no caso indistinguível, uma vez que não há pressão estatística em direção a números iguais, o resultado mais provável é que a maioria das partículas entrará em colapso no estado .

No caso distinguível, para N grande , a fração no estado pode ser calculada. É o mesmo que jogar uma moeda com probabilidade proporcional a p  = exp (- E / T ) para acertar as caudas.

No caso indistinguível, cada valor de K é um único estado, que tem sua própria probabilidade de Boltzmann separada. Portanto, a distribuição de probabilidade é exponencial:

Para N grande , a constante de normalização C é (1 - p ) . O número total esperado de partículas que não estão no estado de energia mais baixo, no limite que , é igual a

Não cresce quando N é grande; apenas se aproxima de uma constante. Esta será uma fração desprezível do número total de partículas. Portanto, uma coleção de partículas de Bose suficientes em equilíbrio térmico estará principalmente no estado fundamental, com apenas algumas em qualquer estado excitado, não importa quão pequena seja a diferença de energia.

Considere agora um gás de partículas, que pode estar em diferentes estados de momento rotulados . Se o número de partículas for menor que o número de estados termicamente acessíveis, para altas temperaturas e baixas densidades, as partículas estarão todas em estados diferentes. Nesse limite, o gás é clássico. À medida que a densidade aumenta ou a temperatura diminui, o número de estados acessíveis por partícula torna-se menor e, em algum ponto, mais partículas serão forçadas a um único estado do que o máximo permitido para aquele estado pela ponderação estatística. Deste ponto em diante, qualquer partícula extra adicionada irá para o estado fundamental.

Para calcular a temperatura de transição em qualquer densidade, integre, sobre todos os estados de momento, a expressão para o número máximo de partículas excitadas, p / (1 - p ) :

Quando a integral (também conhecida como integral de Bose-Einstein ) é avaliada com fatores de e ℏ restaurada pela análise dimensional, ela fornece a fórmula da temperatura crítica da seção anterior. Portanto, essa integral define a temperatura crítica e o número de partículas correspondentes às condições de potencial químico desprezível . Na distribuição estatística de Bose-Einstein , na verdade ainda é diferente de zero para BECs; no entanto, é menor do que a energia do estado fundamental. Exceto quando se fala especificamente sobre o estado fundamental, pode ser aproximado para a maioria dos estados de energia ou momento como  .

Teoria de Bogoliubov para gás de interação fraca

Nikolay Bogoliubov considerou perturbações no limite do gás diluído, encontrando uma pressão finita na temperatura zero e potencial químico positivo. Isso leva a correções para o estado fundamental. O estado Bogoliubov tem pressão ( t  = 0): .

O sistema de interação original pode ser convertido em um sistema de partículas não interagentes com uma lei de dispersão.

Equação Gross – Pitaevskii

Em alguns casos mais simples, o estado das partículas condensadas pode ser descrito com uma equação de Schrödinger não linear, também conhecida como equação de Gross-Pitaevskii ou Ginzburg-Landau. A validade dessa abordagem é, na verdade, limitada ao caso de temperaturas ultracold, o que se encaixa bem para a maioria dos experimentos de átomos alcalinos.

Esta abordagem origina-se do pressuposto de que o estado do BEC pode ser descrito pela função de onda única do condensado . Para um sistema desta natureza , é interpretado como a densidade da partícula, então o número total de átomos é

Desde que essencialmente todos os átomos estejam no condensado (isto é, condensados ​​no estado fundamental) e tratando os bósons usando a teoria do campo médio , a energia (E) associada ao estado é:

Minimizar essa energia em relação às variações infinitesimais e manter o número de átomos constante produz a equação Gross-Pitaevski (GPE) (também uma equação de Schrödinger não linear ):

Onde:

 é a massa dos bósons,
 é o potencial externo, e
 representa as interações entre partículas.

No caso de potencial externo zero, a lei de dispersão das partículas condensadas de Bose-Einstein em interação é dada pelo chamado espectro de Bogoliubov (para ):

A equação Gross-Pitaevskii (GPE) fornece uma descrição relativamente boa do comportamento dos BECs atômicos. No entanto, o GPE não leva em consideração a dependência das variáveis ​​dinâmicas com a temperatura e, portanto, é válido apenas para . Não é aplicável, por exemplo, para os condensados ​​de excitons, magnons e fótons, onde a temperatura crítica é comparável à temperatura ambiente.

Solução numérica

A equação Gross-Pitaevskii é uma equação diferencial parcial em variáveis ​​de espaço e tempo. Normalmente não possui solução analítica e para sua solução são utilizados diferentes métodos numéricos, como os métodos espectrais split-step Crank-Nicolson e Fourier . Existem diferentes programas Fortran e C para sua solução para interação por contato e interação dipolar de longo alcance que podem ser usados ​​livremente.

Fraquezas do modelo Gross – Pitaevskii

O modelo Gross – Pitaevskii de BEC é uma aproximação física válida para certas classes de BECs. Por construção, o GPE usa as seguintes simplificações: ele assume que as interações entre as partículas de condensado são do tipo contato de dois corpos e também negligencia as contribuições anômalas para a energia própria . Essas suposições são adequadas principalmente para os condensados ​​tridimensionais diluídos. Se relaxarmos qualquer uma dessas suposições, a equação da função de onda condensada adquire os termos que contêm potências de ordem superior da função de onda. Além disso, para alguns sistemas físicos, a quantidade de tais termos acaba sendo infinita, portanto, a equação torna-se essencialmente não polinomial. Os exemplos em que isso poderia acontecer são os condensados ​​de compósito de Bose-Fermi, condensados ​​de dimensão efetivamente inferior e condensados ​​densos e aglomerados e gotículas de superfluidos . Verifica-se que é preciso ir além da equação Gross-Pitaevskii. Por exemplo, o termo logarítmico encontrado na equação de Schrödinger logarítmica deve ser adicionado à equação de Gross-Pitaevskii junto com uma contribuição de Ginzburg- Sobyanin para determinar corretamente que a velocidade do som escala como a raiz cúbica de pressão para Hélio-4 em níveis muito baixos temperaturas em estreita concordância com a experiência.

De outros

No entanto, está claro que, em um caso geral, o comportamento do condensado de Bose-Einstein pode ser descrito por equações de evolução acopladas para densidade de condensado, velocidade de superfluido e função de distribuição de excitações elementares. Esse problema foi resolvido em 1977 por Peletminskii et al. em abordagem microscópica. As equações de Peletminskii são válidas para qualquer temperatura finita abaixo do ponto crítico. Anos depois, em 1985, Kirkpatrick e Dorfman obtiveram equações semelhantes usando outra abordagem microscópica. As equações de Peletminskii também reproduzem as equações hidrodinâmicas de Khalatnikov para o superfluido como um caso limite.

Superfluidez do critério BEC e Landau

Os fenômenos de superfluidez de um gás de Bose e supercondutividade de um gás Fermi fortemente correlacionado (um gás de pares de Cooper) estão intimamente ligados à condensação de Bose-Einstein. Em condições correspondentes, abaixo da temperatura de transição de fase, esses fenômenos foram observados no hélio-4 e em diferentes classes de supercondutores. Nesse sentido, a supercondutividade costuma ser chamada de superfluidez do gás de Fermi. Na forma mais simples, a origem da superfluidez pode ser vista no modelo de bósons de interação fraca.

Observação experimental

Superfluido hélio-4

Em 1938, Pyotr Kapitsa , John Allen e Don Misener descobriram que o hélio-4 se tornou um novo tipo de fluido, agora conhecido como superfluido , a temperaturas inferiores a 2,17 K (o ponto lambda ). O hélio superfluido tem muitas propriedades incomuns, incluindo viscosidade zero (a capacidade de fluir sem dissipar energia) e a existência de vórtices quantizados . Acreditou-se rapidamente que a superfluidez se devia à condensação parcial de Bose-Einstein do líquido. Na verdade, muitas propriedades do hélio superfluido também aparecem em condensados ​​gasosos criados por Cornell, Wieman e Ketterle (veja abaixo). O superfluido hélio-4 é mais um líquido do que um gás, o que significa que as interações entre os átomos são relativamente fortes; a teoria original da condensação de Bose-Einstein deve ser fortemente modificada a fim de descrevê-la. A condensação de Bose-Einstein permanece, no entanto, fundamental para as propriedades superfluidas do hélio-4. Observe que o hélio-3 , um férmion , também entra em uma fase superfluida (a uma temperatura muito mais baixa), o que pode ser explicado pela formação de pares de Cooper bosônicos de dois átomos (ver também condensado fermiônico ).

Diluir gases atômicos

O primeiro condensado de Bose-Einstein "puro" foi criado por Eric Cornell , Carl Wieman e colegas de trabalho da JILA em 5 de junho de 1995. Eles resfriaram um vapor diluído de aproximadamente dois mil átomos de rubídio-87 a menos de 170 nK usando uma combinação de resfriamento a laser (uma técnica que rendeu a seus inventores Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji e William D. Phillips o Prêmio Nobel de Física de 1997 ) e resfriamento evaporativo magnético . Cerca de quatro meses depois, um esforço independente liderado por Wolfgang Ketterle no MIT condensou o sódio-23 . O condensado de Ketterle tinha cem vezes mais átomos, permitindo resultados importantes como a observação da interferência da mecânica quântica entre dois condensados ​​diferentes. Cornell, Wieman e Ketterle ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2001 por suas realizações.

Um grupo liderado por Randall Hulet na Rice University anunciou um condensado de átomos de lítio apenas um mês após o trabalho do JILA. O lítio tem interações atraentes, fazendo com que o condensado seja instável e colapso para todos, exceto alguns átomos. A equipe de Hulet posteriormente mostrou que o condensado poderia ser estabilizado por pressão quântica de confinamento por até cerca de 1000 átomos. Vários isótopos foram condensados ​​desde então.

Gráfico de distribuição de velocidade

Na imagem que acompanha este artigo, os dados de distribuição de velocidade indicam a formação de um condensado de Bose-Einstein a partir de um gás de átomos de rubídio . As cores falsas indicam o número de átomos em cada velocidade, sendo o vermelho o menor número e o branco o maior. As áreas que aparecem em branco e azul claro estão nas velocidades mais baixas. O pico não é infinitamente estreito por causa do princípio da incerteza de Heisenberg : átomos confinados espacialmente têm uma distribuição de velocidade de largura mínima. Esta largura é dada pela curvatura do potencial magnético na direção dada. Direções mais estreitamente confinadas têm larguras maiores na distribuição da velocidade balística. Esta anisotropia do pico à direita é um efeito puramente mecânico-quântico e não existe na distribuição térmica à esquerda. Este gráfico serviu de design de capa para o livro de 1999, Thermal Physics, de Ralph Baierlein.

Quasipartículas

A condensação de Bose-Einstein também se aplica a quasipartículas em sólidos. Magnons , excitons e polaritons têm spin inteiro, o que significa que são bósons que podem formar condensados.

Os magnons, ondas de spin do elétron, podem ser controlados por um campo magnético. São possíveis densidades desde o limite de um gás diluído até um líquido de Bose de forte interação. A ordenação magnética é o análogo da superfluidez. Em 1999, a condensação foi demonstrada no antiferromagnético Tl Cu Cl
3
, a temperaturas tão grandes quanto 14 K. A alta temperatura de transição (em relação aos gases atômicos) é devido à pequena massa dos magnons (próxima à de um elétron) e à maior densidade alcançável. Em 2006, a condensação em uma película fina de ítrio-ferro-granada ferromagnética foi vista mesmo em temperatura ambiente, com bombeamento óptico.

Excitons , pares de elétron-buraco, foram preditos para condensar em baixa temperatura e alta densidade por Boer et al., Em 1961. Experimentos do sistema Bilayer demonstraram condensação pela primeira vez em 2003, pelo desaparecimento da tensão de Hall. A criação rápida de excitons ópticos foi usada para formar condensados ​​no sub-Kelvin Cu
2
O
em 2005 em.

A condensação de polariton foi detectada pela primeira vez para exciton-polaritons em uma microcavidade de poço quântico mantida a 5 K.

Em gravidade zero

Em junho de 2020, o experimento Cold Atom Laboratory a bordo da Estação Espacial Internacional criou com sucesso um BEC de átomos de rubídio e os observou por mais de um segundo em queda livre. Embora inicialmente apenas uma prova de função, os primeiros resultados mostraram que, no ambiente de microgravidade da ISS, cerca de metade dos átomos formaram uma nuvem semelhante a um halo magneticamente insensível em torno do corpo principal do BEC.

Propriedades peculiares

Vórtices

Como em muitos outros sistemas, vórtices podem existir em BECs. Eles podem ser criados, por exemplo, "agitando" o condensado com lasers ou girando a armadilha de confinamento. O vórtice criado será um vórtice quântico . Esses fenômenos são permitidos pelo termo não linear no GPE. Como os vórtices devem ter momento angular quantizado, a função de onda pode ter a forma onde e como no sistema de coordenadas cilíndricas , e é o número quântico angular (também conhecido como "carga" do vórtice). Como a energia de um vórtice é proporcional ao quadrado de seu momento angular, na topologia trivial apenas vórtices podem existir no estado estacionário ; Os vórtices de carga mais alta tendem a se dividir em vórtices, se permitido pela topologia da geometria.

Um potencial de confinamento axialmente simétrico (por exemplo, harmônico) é comumente usado para o estudo de vórtices em BEC. Para determinar , a energia de deve ser minimizada, de acordo com a restrição . Isso geralmente é feito computacionalmente, no entanto, em um meio uniforme, a seguinte forma analítica demonstra o comportamento correto e é uma boa aproximação:

Aqui, está a densidade longe do vórtice e , onde está o comprimento de cicatrização do condensado.

Um vórtice com carga única ( ) está no estado fundamental, com sua energia fornecida por

onde  é a maior distância dos vórtices considerados. (Para obter uma energia bem definida é necessário incluir este limite .)

Para vórtices com carga múltipla ( ), a energia é aproximada por

que é maior do que os vórtices carregados individualmente, indicando que esses vórtices com carga múltipla são instáveis ​​para se decompor. A pesquisa, entretanto, indicou que eles são estados metaestáveis, então podem ter vidas relativamente longas.

Intimamente relacionado à criação de vórtices em BECs está a geração dos chamados solitons escuros em BECs unidimensionais. Esses objetos topológicos apresentam um gradiente de fase em seu plano nodal, que estabiliza sua forma mesmo em propagação e interação. Embora os solitons não carreguem carga e, portanto, sejam propensos a se decompor, os solitons escuros de vida relativamente longa foram produzidos e estudados extensivamente.

Interações atraentes

Experimentos conduzidos por Randall Hulet na Rice University de 1995 a 2000 mostraram que condensados ​​de lítio com interações atraentes podem existir de forma estável até um número crítico de átomos. Resfriando o gás, eles observaram o condensado crescer e, em seguida, entrar em colapso quando a atração superou a energia do ponto zero do potencial confinante, em uma explosão que lembra uma supernova, com uma explosão precedida por uma implosão.

Outros trabalhos sobre condensados ​​atraentes foram realizados em 2000 pela equipe JILA , de Cornell, Wieman e colegas de trabalho. Sua instrumentação agora tinha melhor controle, então eles usaram átomos de atração natural de rubídio-85 (tendo comprimento de espalhamento átomo-átomo negativo ). Por meio da ressonância de Feshbach envolvendo uma varredura do campo magnético causando colisões de spin, eles reduziram as energias discretas características nas quais o rubídio se liga, tornando seus átomos Rb-85 repulsivos e criando um condensado estável. A mudança reversível de atração para repulsão decorre da interferência quântica entre átomos de condensado em forma de onda.

Quando a equipe da JILA aumentou ainda mais a intensidade do campo magnético, o condensado repentinamente reverteu para atração, implodiu e encolheu além da detecção, então explodiu, expelindo cerca de dois terços de seus 10.000 átomos. Cerca de metade dos átomos no condensado pareciam ter desaparecido completamente do experimento, não vistos no resquício frio ou na nuvem de gás em expansão. Carl Wieman explicou que, de acordo com a teoria atômica atual, essa característica do condensado de Bose-Einstein não poderia ser explicada porque o estado de energia de um átomo próximo ao zero absoluto não deveria ser suficiente para causar uma implosão; no entanto, teorias de campo médio subsequentes foram propostas para explicá-lo. Muito provavelmente, eles formaram moléculas de dois átomos de rubídio; a energia ganha por essa ligação transmite velocidade suficiente para deixar a armadilha sem ser detectada.

O processo de criação do condensado de Bose molecular durante a varredura do campo magnético ao longo da ressonância de Feshbach, bem como o processo reverso, são descritos pelo modelo solucionável exatamente que pode explicar muitas observações experimentais.

Pesquisa atual

Problema não resolvido na física :

Como podemos provar rigorosamente a existência de condensados ​​de Bose-Einstein para sistemas de interação geral?

Comparados aos estados da matéria mais comumente encontrados, os condensados ​​de Bose-Einstein são extremamente frágeis. A menor interação com o ambiente externo pode ser suficiente para aquecê-los além do limite de condensação, eliminando suas propriedades interessantes e formando um gás normal.

No entanto, eles se mostraram úteis na exploração de uma ampla gama de questões em física fundamental, e os anos desde as descobertas iniciais pelos grupos JILA e MIT viram um aumento na atividade experimental e teórica. Os exemplos incluem experimentos que demonstraram interferência entre condensados ​​devido à dualidade onda-partícula , o estudo da superfluidez e vórtices quantizados , a criação de sólidos de onda de matéria brilhante de condensados ​​de Bose confinados a uma dimensão e a desaceleração de pulsos de luz para velocidades muito baixas usando transparência induzida eletromagneticamente . Vórtices em condensados ​​de Bose-Einstein também são atualmente objeto de pesquisa de gravidade analógica , estudando a possibilidade de modelar buracos negros e seus fenômenos relacionados em tais ambientes em laboratório. Os experimentadores também realizaram " redes ópticas ", onde o padrão de interferência de lasers sobrepostos fornece um potencial periódico . Eles foram usados ​​para explorar a transição entre um superfluido e um isolador de Mott e podem ser úteis no estudo da condensação de Bose-Einstein em menos de três dimensões, por exemplo, o gás Tonks-Girardeau . Além disso, a sensibilidade da transição de fixação de bósons de interação forte confinados em uma rede óptica unidimensional rasa originalmente observada por Haller foi explorada por meio de um ajuste da rede óptica primária por uma secundária mais fraca. Assim, para uma rede óptica bicromática fraca resultante, verificou-se que a transição de fixação é robusta contra a introdução da rede óptica secundária mais fraca. Estudos de vórtices em condensados ​​não uniformes de Bose-Einstein, bem como excitatons desses sistemas pela aplicação de obstáculos atrativos ou repulsivos em movimento, também foram realizados. Nesse contexto, as condições de ordem e caos na dinâmica de um condensado de Bose-Einstein aprisionado foram exploradas pela aplicação de feixes de laser em movimento azul e vermelho por meio da equação de Gross-Pitaevskii dependente do tempo.

Os condensados ​​de Bose-Einstein compostos por uma ampla gama de isótopos foram produzidos.

O resfriamento de férmions a temperaturas extremamente baixas criou gases degenerados , sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli . Para exibir a condensação de Bose-Einstein, os férmions devem "emparelhar" para formar partículas de compostos bosônicos (por exemplo, moléculas ou pares de Cooper ). Os primeiros condensados moleculares foram criados em novembro de 2003 pelos grupos de Rudolf Grimm na Universidade de Innsbruck , Deborah S. Jin na Universidade do Colorado em Boulder e Wolfgang Ketterle no MIT . Jin rapidamente criou o primeiro condensado fermiônico , trabalhando com o mesmo sistema, mas fora do regime molecular.

Em 1999, a física dinamarquesa Lene Hau liderou uma equipe da Universidade de Harvard que reduziu a velocidade de um feixe de luz para cerca de 17 metros por segundo usando um superfluido. Hau e seus associados, desde então, fizeram um grupo de átomos condensados ​​recuar de um pulso de luz de modo que registraram a fase e a amplitude da luz, recuperada por um segundo condensado próximo, no que chamam de "amplificação de onda de matéria atômica mediada por luz lenta" usando condensados ​​de Bose-Einstein: os detalhes são discutidos na Natureza .

Outro interesse de pesquisa atual é a criação de condensados ​​de Bose-Einstein em microgravidade para usar suas propriedades em interferometria atômica de alta precisão . A primeira demonstração de um BEC na ausência de peso foi realizada em 2008 em uma torre suspensa em Bremen, Alemanha, por um consórcio de pesquisadores liderado por Ernst M. Rasel da Leibniz University Hannover . A mesma equipe demonstrou em 2017 a primeira criação de um condensado de Bose-Einstein no espaço e também é o assunto de dois próximos experimentos na Estação Espacial Internacional .

Pesquisadores no novo campo da atomtrônica usam as propriedades dos condensados ​​de Bose-Einstein ao manipular grupos de átomos frios idênticos usando lasers.

Em 1970, os BECs foram propostos por Emmanuel David Tannenbaum para tecnologia anti- furto .

Em 2020, os pesquisadores relataram o desenvolvimento de BEC supercondutor e que parece haver uma "transição suave entre" os regimes de BEC e Bardeen-Cooper-Shrieffer .

Matéria escura

P. Sikivie e Q. Yang mostraram que os áxions frios da matéria escura formam um condensado de Bose-Einstein por termalização devido às auto-interações gravitacionais. Axions ainda não foram confirmados para existir. No entanto, a importante busca por eles foi bastante aprimorada com a conclusão das atualizações do Axion Dark Matter Experiment (ADMX) na Universidade de Washington no início de 2018.

Em 2014, um dibário potencial foi detectado no Centro de Pesquisa Jülich em cerca de 2380 MeV. O centro afirmou que as medições confirmam os resultados de 2011, através de um método mais replicável. A partícula existiu por 10 −23 segundos e foi denominada d * (2380). Supõe-se que essa partícula consista em três quarks up e três down . É teorizado que grupos de estrelas d poderiam formar condensados ​​de Bose-Einstein devido às baixas temperaturas prevalecentes no universo inicial, e que BECs feitos de tais hexaquarks com elétrons aprisionados poderiam se comportar como matéria escura .

Isótopos

O efeito foi observado principalmente em átomos alcalinos que possuem propriedades nucleares particularmente adequadas para trabalhar com armadilhas. A partir de 2012, usando temperaturas ultrabaixas de ou abaixo, os condensados ​​de Bose-Einstein foram obtidos para uma infinidade de isótopos, principalmente de metais alcalinos , metais alcalino-terrosos e átomos de lantanídeos (7
Li
, 23
N / D
, 39
K
, 41
K
, 85
Rb
, 87
Rb
, 133
Cs
, 52
Cr
, 40
Ca
, 84
Sr
, 86
Sr
, 88
Sr
, 174
Yb
, 164
Dy
, e 168
Er
) A pesquisa foi finalmente bem-sucedida em hidrogênio com a ajuda do método recém-desenvolvido de 'resfriamento evaporativo'. Em contraste, o estado superfluido de4
Ele
abaixo de 2,17 K não é um bom exemplo, porque a interação entre os átomos é muito forte. Apenas 8% dos átomos estão no estado fundamental próximo ao zero absoluto, em vez de 100% de um condensado verdadeiro.

O comportamento bosônico de alguns desses gases alcalinos parece estranho à primeira vista, porque seus núcleos têm spin total meio-inteiro. Ele surge de uma interação sutil de spins eletrônicos e nucleares: em temperaturas ultrabaixas e energias de excitação correspondentes, o spin total meio inteiro da concha eletrônica e o spin total meio inteiro do núcleo são acoplados por uma interação hiperfina muito fraca . O spin total do átomo, decorrente desse acoplamento, é um valor inteiro inferior. A química dos sistemas à temperatura ambiente é determinada pelas propriedades eletrônicas, que são essencialmente fermiônicas, uma vez que as excitações térmicas à temperatura ambiente possuem energias típicas muito superiores aos valores hiperfinos.

Em ficção

  • Filme espectral de 2016 - os militares dos EUA lutam contra misteriosas criaturas inimigas feitas de condensado de Bose-Einstein
  • Romance Blind Lake 2003 - cientistas observam vida senciente em um planeta a 51 anos-luz de distância usando telescópios alimentados por computadores quânticos baseados em condensado de Bose-Einstein

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos