Ngưng tụ Bose-Einstein

Ngưng tụ Bose–Einstein (bose-einstein condensate hay BEC) là một trạng thái vật chất của khí boson loãng bị làm lạnh đến nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối (hay rất gần giá trị 0 K hay —273,15 °C^[1] hoặc —459.67 °F). Dưới những điều kiện này, một tỷ lệ lớn các boson tồn tại ở trạng thái lượng tử thấp nhất, tại điểm mà các hiệu ứng lượng tử trở lên rõ rệt ở mức vĩ mô. Những hiệu ứng này được gọi là hiện tượng lượng tử mức vĩ mô.

Mặc dù các thí nghiệm về sau cho thấy có những tương tác phức tạp trong hệ, trạng thái vật chất này lần đầu tiên được Satyendra Nath Bose và Albert Einstein tiên đoán tồn tại trong năm 1924–25. Bose đầu tiên gửi một bài báo đến Einstein về thống kê lượng tử của lượng tử ánh sáng (ngày nay gọi là photon). Einstein đã rất ấn tượng về bài viết này, ông dịch nó từ tiếng Anh sang tiếng Đức và gửi bài viết của Bose đến tạp chí Zeitschrift für Physik và được công bố bởi tạp chí này. (Bản nháp của Einstein, lúc đầu nghĩ là có thể bị mất, đã được tìm thấy trong thư viện của Đại học Leiden vào năm 2005.^[2]). Einstein sau đó mở rộng ý tưởng của Bose cho hệ hạt vật chất trong hai bài báo sau đó.^[3] Những nỗ lực của Bose và Einstein cho kết quả về khái niệm khí Bose trong khuôn khổ lý thuyết thống kê Bose–Einstein, miêu tả phân bố thống kê của những hạt đồng nhất với spin nguyên, mà sau này Paul Dirac gọi là các boson. Các hạt boson, bao gồm photon cũng như các nguyên tử heli-4 (⁴He), được phép tồn tại ở cùng trạng thái lượng tử như nhau. Einstein chứng minh rằng khi làm lạnh các nguyên tử boson đến nhiệt độ rất thấp thì hệ này tích tụ lại (hay "ngưng tụ") trong trạng thái lượng tử thấp nhất có thể, và tạo nên trạng thái mới của vật chất.

Năm 1938 Fritz London đề xuất trạng thái BEC như là một cơ chế giải thích cho tính siêu chảy của ⁴He cũng như tính siêu dẫn nhiệt độ thấp ở một số vật liệu.^[4]^[5]

Năm 1995 khí ngưng tụ đầu tiên đã được tạo ra bởi nhóm của Eric Cornell và Carl Wieman ở phòng thí nghiệm JILA thuộc Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia (NIST) tại Đại học Colorado ở Boulder, khi họ làm lạnh khí nguyên tử Rubidi đến nhiệt độ 170 nanokelvin (nK) ^[6] (1,7 x 10⁻⁷ K). Cũng trong thời gian này, Wolfgang Ketterle ở Học viện Công nghệ Massachusetts tạo ra được ngưng tụ Bose-Einstein đối với nguyên tử Natri và duy trì được hệ 2000 nguyên tử này trong thời gian lâu cho phép nghiên cứu những tính chất của hệ này. Thành tựu này mà Cornell, Wieman và Ketterle được nhận Giải Nobel Vật lý năm 2001.^[7] Tháng 11 năm 2010 trạng thái BEC của photon đã được quan sát thấy.^[8] Năm 2012, các nhà vật lý đã phát triển lý thuyết BEC cho hệ photon.^[9]^[10]

Sự chuyển pha dẫn đến ngưng tụ Bose Einstein xuất hiện ở dưới nhiệt độ giới hạn, đối với khí phân bố đều 3 chiều của hệ hạt không tương tác mà không có bậc tự do nội tại trong nó, được cho bởi công thức:

T_{c}=\left({\frac {n}{\zeta (3/2)}}\right)^{2/3}{\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{B}}}\approx 3.3125\ {\frac {\hbar ^{2}n^{2/3}}{mk_{B}}}

với:

$\,T_{c}$	là	nhiệt độ giới hạn,
$\,n$	là	mật độ hạt,
$\,m$	là	khối lượng của từng boson,
$\hbar$	là	hằng số Planck thu gọn,
$\,k_{B}$	là	hằng số Boltzmann và
$\,\zeta$	là	hàm zeta Riemann; $\,\zeta (3/2)\approx 2.6124.$ ^[11]

Giới thiệu

Các hạt trong vật lý được chia ra làm hai lớp cơ bản: lớp các boson và lớp các fermion. Boson là những hạt với "spin nguyên" (0,1,2...), fermion là các hạt với "spin bán nguyên" (1/2,3/2...). Các hạt boson tuân theo thống kê Bose-Einstein, còn các hạt fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Ngoài ra các hạt fermion còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, "hai hạt fermion không thể cùng tồn tại trên một trạng thái lượng tử".

Đối với mô hình khí lý tưởng (không có tương tác giữa các boson), khi ở nhiệt độ đạt đến không tuyệt đối (0 kelvin) tất cả các hạt boson có thể cùng tồn tại trên một trạng thái lượng tử với năng lượng thấp nhất. Đó chính là ngưng tụ Bose-Einstein. Trong trường hợp một hệ khí lý tưởng ba chiều, tồn tại một nhiệt độ chuyển pha, mà hệ khí sẽ ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này.

Đối với hệ khí boson có tương tác (mô hình khí thực), người ta đã chứng minh một cách lý thuyết là tồn tại nhiệt độ chuyển pha, mà khí bose có thể ngưng tụ ngay cả trong các hệ hai chiều (Bologiubov-Pitaevskii). Những tiến bộ trong kĩ thuật làm lạnh và giam nguyên tử (làm lạnh bằng laser, làm lạnh bằng bay hơi, bẫy nguyên tử bằng laser, từ trường, điện trường) đã cho phép thực nghiệm quan sát được hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein trong các hệ khí lithi, kali và natri.

Sau khi quan sát hiện tượng ngưng tụ Bose, các nhà vật lý thực nghiệm đã tiếp tục đạt được những thành công trong việc làm lạnh khí fermion. Quá trình làm lạnh này khó hơn đối với boson do các fermion phải tuân theo nguyên lý Pauli. Người ta cũng đã quan sát hiện tượng ngưng tụ này ở fermion, nhưng với số phần trăm nguyên tử ngưng tụ thấp hơn. Hiện tượng này được gọi là "khí fermi suy biến". Các lý thuyết giải thích hiện tượng này bằng mô hình các hạt fermion tương tác với nhau. Hai fermion trong tương tác có thể liên kết được với nhau sẽ tạo ra các phân tử boson, ở nhiệt độ đủ thấp, các boson nhân tạo này sẽ ngưng tụ.

Xem thêm

Tham khảo

^ Arora, C. P. (2001). Thermodynamics. Tata McGraw-Hill. tr. 43. ISBN 0-07-462014-2., Table 2.4 page 43
^ “Leiden University Einstein archive”. Lorentz.leidenuniv.nl. ngày 27 tháng 10 năm 1920. Truy cập ngày 23 tháng 3 năm 2011.
^ Clark, Ronald W. (1971). Einstein: The Life and Times. Avon Books. tr. 408–409. ISBN 0-380-01159-X.
^ London, F. (1938). “The λ-Phenomenon of Liquid Helium and the Bose–Einstein Degeneracy”. Nature. 141 (3571): 643–644. Bibcode:1938Natur.141..643L. doi:10.1038/141643a0.
^ London, F. Superfluids Vol.I and II, (reprinted New York: Dover 1964)
^ “New State of Matter Seen Near Absolute Zero”. NIST. Bản gốc lưu trữ ngày 1 tháng 6 năm 2010. Truy cập ngày 9 tháng 2 năm 2014.
^ Levi, Barbara Goss (2001). “Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose–Einstein Condensates”. Search & Discovery. Physics Today online. Lưu trữ bản gốc ngày 24 tháng 10 năm 2007. Truy cập ngày 26 tháng 1 năm 2008.
^ Klaers, Jan; Schmitt, Julian; Vewinger, Frank; Weitz, Martin (2010). “Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity”. Nature. 468 (7323): 545–548. arXiv:1007.4088. Bibcode:2010Natur.468..545K. doi:10.1038/nature09567. PMID 21107426.
^ Sob'yanin, D. N. (2013). “Theory of Bose-Einstein condensation of light in a microcavity”. Bull. Lebedev Phys. Inst. 40 (4): 91–96. arXiv:1308.4089. Bibcode:2013BLPI...40...91S. doi:10.3103/S1068335613040039.
^ Sob'yanin, Denis Nikolaevich (2013). “Bose-Einstein condensation of light: General theory”. Phys. Rev. E. 88 (2): 022132. arXiv:1308.4090. Bibcode:2013PhRvE..88b2132S. doi:10.1103/PhysRevE.88.022132. PMID 24032800.
^ (dãy số A078434 trong bảng OEIS)

Đọc thêm

Bose, S. N. (1924). “Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”. Zeitschrift für Physik. 26: 178. Bibcode:1924ZPhy...26..178B. doi:10.1007/BF01327326.
Einstein, A. (1925). “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. 1: 3.,
Landau, L. D. (1941). “The theory of Superfluity of Helium 111”. J. Phys. USSR. 5: 71–90.
L. Landau (1941). “Theory of the Superfluidity of Helium II”. Physical Review. 60 (4): 356–358. Bibcode:1941PhRv...60..356L. doi:10.1103/PhysRev.60.356.
M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.E. Wieman, and E.A. Cornell (1995). “Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor”. Science. 269 (5221): 198–201. Bibcode:1995Sci...269..198A. doi:10.1126/science.269.5221.198. JSTOR 2888436. PMID 17789847.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
C. Barcelo, S. Liberati and M. Visser (2001). “Analogue gravity from Bose–Einstein condensates”. Classical and Quantum Gravity. 18 (6): 1137–1156. arXiv:gr-qc/0011026. Bibcode:2001CQGra..18.1137B. doi:10.1088/0264-9381/18/6/312.
P.G. Kevrekidis, R. Carretero-Gonzlaez, D.J. Frantzeskakis and I.G. Kevrekidis (2006). “Vortices in Bose–Einstein Condensates: Some Recent Developments”. Modern Physics Letters B. 5 (33).Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
K.B. Davis, M.-O. Mewes, M.R. Andrews, N.J. van Druten, D.S. Durfee, D.M. Kurn, and W. Ketterle (1995). “Bose–Einstein condensation in a gas of sodium atoms”. Physical Review Letters. 75 (22): 3969–3973. Bibcode:1995PhRvL..75.3969D. doi:10.1103/PhysRevLett.75.3969. PMID 10059782.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết).
D. S. Jin, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman, and E. A. Cornell (1996). “Collective Excitations of a Bose–Einstein Condensate in a Dilute Gas”. Physical Review Letters. 77 (3): 420–423. Bibcode:1996PhRvL..77..420J. doi:10.1103/PhysRevLett.77.420. PMID 10062808.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
M. R. Andrews, C. G. Townsend, H.-J. Miesner, D. S. Durfee, D. M. Kurn, and W. Ketterle (1997). “Observation of interference between two Bose condensates”. Science. 275 (5300): 637–641. doi:10.1126/science.275.5300.637. PMID 9005843.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết).
Eric A. Cornell and Carl E. Wieman (1998). “The Bose–Einstein Condensate”. Scientific American. 278 (3): 40–45. doi:10.1038/scientificamerican0398-40.
M. R. Matthews, B. P. Anderson, P. C. Haljan, D. S. Hall, C. E. Wieman, and E. A. Cornell (1999). “Vortices in a Bose–Einstein Condensate”. Physical Review Letters. 83 (13): 2498–2501. arXiv:cond-mat/9908209. Bibcode:1999PhRvL..83.2498M. doi:10.1103/PhysRevLett.83.2498.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
E.A. Donley, N.R. Claussen, S.L. Cornish, J.L. Roberts, E.A. Cornell, and C.E. Wieman (2001). “Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates”. Nature. 412 (6844): 295–299. arXiv:cond-mat/0105019. Bibcode:2001Natur.412..295D. doi:10.1038/35085500. PMID 11460153.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
A. G. Truscott, K. E. Strecker, W. I. McAlexander, G. B. Partridge, and R. G. Hulet (2001). “Observation of Fermi Pressure in a Gas of Trapped Atoms”. Science. 291 (5513): 2570–2572. Bibcode:2001Sci...291.2570T. doi:10.1126/science.1059318. PMID 11283362.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch (2002). “Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms”. Nature. 415 (6867): 39–44. Bibcode:2002Natur.415...39G. doi:10.1038/415039a. PMID 11780110.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết).
S. Jochim, M. Bartenstein, A. Altmeyer, G. Hendl, S. Riedl, C. Chin, J. Hecker Denschlag, and R. Grimm (2003). “Bose–Einstein Condensation of Molecules”. Science. 302 (5653): 2101–2103. Bibcode:2003Sci...302.2101J. doi:10.1126/science.1093280. PMID 14615548.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
Markus Greiner, Cindy A. Regal and Deborah S. Jin (2003). “Emergence of a molecular Bose−Einstein condensate from a Fermi gas”. Nature. 426 (6966): 537–540. Bibcode:2003Natur.426..537G. doi:10.1038/nature02199. PMID 14647340.
M. W. Zwierlein, C. A. Stan, C. H. Schunck, S. M. F. Raupach, S. Gupta, Z. Hadzibabic, and W. Ketterle (2003). “Observation of Bose–Einstein Condensation of Molecules”. Physical Review Letters. 91 (25): 250401. arXiv:cond-mat/0311617. Bibcode:2003PhRvL..91y0401Z. doi:10.1103/PhysRevLett.91.250401. PMID 14754098.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
C. A. Regal, M. Greiner, and D. S. Jin (2004). “Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs”. Physical Review Letters. 92 (4): 040403. arXiv:cond-mat/0401554. Bibcode:2004PhRvL..92d0403R. doi:10.1103/PhysRevLett.92.040403. PMID 14995356.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
C. J. Pethick and H. Smith, Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
Lev P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose–Einstein Condensation, Clarendon Press, Oxford, 2003.
Mackie M, Suominen KA, Javanainen J., "Mean-field theory of Feshbach-resonant interactions in 85Rb condensates." Phys Rev Lett. 2002 Oct 28;89(18):180403.

Liên kết ngoài

Bose–Einstein Condensation 2009 Conference Lưu trữ 2010-01-13 tại Wayback Machine Bose–Einstein Condensation 2009 – Frontiers in Quantum Gases
BEC Homepage Lưu trữ 2005-12-20 tại Wayback Machine General introduction to Bose–Einstein condensation
Nobel Prize in Physics 2001 – for the achievement of Bose–Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates
Physics Today: Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose–Einstein Condensates Lưu trữ 2007-10-24 tại Wayback Machine
Bose–Einstein Condensates at JILA Lưu trữ 2014-04-17 tại Wayback Machine
Atomcool at Rice University
Alkali Quantum Gases at MIT Lưu trữ 2005-12-26 tại Wayback Machine
Atom Optics at UQ
Einstein's manuscript on the Bose–Einstein condensate discovered at Leiden University
Bose–Einstein condensate on arxiv.org
Bosons – The Birds That Flock and Sing Together Lưu trữ 2016-03-04 tại Wayback Machine
Easy BEC machine Lưu trữ 2014-02-24 tại Wayback Machine – information on constructing a Bose–Einstein condensate machine.
Verging on absolute zero – Cosmos Online Lưu trữ 2008-11-22 tại Wayback Machine
Lecture by W Ketterle at MIT in 2001 Lưu trữ 2009-10-07 tại Wayback Machine
Bose–Einstein Condensation at NIST Lưu trữ 2001-07-05 tại Wayback Machine – NIST resource on BEC

x t s Trạng thái vật chất
Trạng thái	Rắn Lỏng Khí / Hơi Plasma
Năng lượng thấp	Ngưng tụ Bose-Einstein Ngưng tụ Fermion Vật chất suy biến Hall lượng tử Vật chất Rydberg Vật chất lạ Siêu lỏng Siêu rắn Vật chất photon
Năng lượng cao	Vật chất QCD Ô mạng QCD Quark–gluon plasma Chất lưu siêu tới hạn
Các trạng thái khác	Chất keo Thủy tinh Tinh thể lỏng Quantum spin liquid Vật chất lạ Vật chất lập trình Vật chất tối Phản vật chất Trật tự từ tính Phản sắt từ Feri từ Sắt từ String-net liquid Siêu thủy tinh
Chuyển pha	Sự sôi Nhiệt độ bay hơi Ngưng tụ Đường tới hạn Điểm tới hạn Kết tinh Ngưng kết Bay hơi Bay hơi nhanh Đông đặc Ion hóa Điện ly Điểm Lambda Nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy Tái tổ hợp Tái đóng băng Chất lỏng bão hòa Thăng hoa Siêu lạnh Điểm ba Hóa hơi Thủy tinh hóa
Đại lượng	Nhiệt nóng chảy Nhiệt thăng hoa Nhiệt hóa hơi Ẩn nhiệt Ẩn nội năng Trouton's ratio Volatility
Khái niệm	Binodal Chất lỏng áp lực Cooling curve Phương trình trạng thái Hiệu ứng Leidenfrost Macroscopic quantum phenomena Hiệu ứng Mpemba Order and disorder (physics) Spinodal Siêu dẫn Hơi siêu nhiệt Quá sôi Hiệu ứng nhiệt điện môi
Danh sách	Danh sách các trạng thái vật chất

x t s Albert Einstein
Sự nghiệp khoa học	Thuyết tương đối hẹp Lịch sử Thuyết tương đối rộng Giới thiệu Lịch sử Tương đương khối lượng-năng lượng Chuyển động Brown Hiệu ứng quang điện Thuyết chất rắn của Einstein Nguyên lý tương đương Phương trình trường Einstein Bán kính Einstein Liên hệ Einstein (thuyết động học) Hằng số vũ trụ Ngưng tụ Bose-Einstein Thống kê Bose–Einstein Tương quan Bose–Einstein Thuyết Einstein–Cartan Phương trình Einstein–Infeld–Hoffmann Hiệu ứng Einstein–de Haas Nghịch lý EPR Tranh luận Bohr-Einstein Những khảo cứu không thành công Lưỡng tính sóng–hạt Sóng hấp dẫn Nghịch lý lá trà
Các bài báo	Các bài báo ''Năm kỳ diệu'' (1905) Khảo sát về lý thuyết chuyển động Brown (1905) Relativity: The Special and the General Theory (1916) Thế giới như tôi thấy (sách) (1934) Bức thư Einstein–Szilárd (1939) Tại sao Chủ nghĩa xã hội? (1949) Tuyên ngôn Russell–Einstein (1955)
Gia đình	Pauline Koch (mẹ) Hermann Einstein (bố) Maja Einstein (em gái) Mileva Marić (vợ cả) Elsa Einstein (vợ hai) Lieserl Einstein (con gái) Hans Albert Einstein (con trai) Eduard Einstein (con trai) Bernhard Caesar Einstein (cháu nội) Evelyn Einstein (cháu nội) Thomas Martin Einstein (chắt, con của Bernhard)
Giải thưởng mang tên Einstein	Giải thưởng Albert Einstein Huy chương Albert Einstein Giải Khoa học thế giới Albert Einstein Giải Einstein Giải hòa bình Albert Einstein Giải thưởng Einstein cho khoa học laser
Khác	Quan điểm chính trị Quan điểm tôn giáo Máy làm lạnh của Einstein Bộ não Trong văn hóa Giải thưởng và vinh danh Danh sách Albert Einstein Dự án các bài viết của Einstein Einsteini 2001 Einstein
Thể loại Commons