Wer ist es? Lass unzählige Atome im Einklang singen (Teil 1)

Vor der Etablierung der Quantentheorie glaubte man im Allgemeinen, dass sich atomares Gas bei Raumtemperatur immer in einem Zustand unregelmäßiger thermischer Bewegung mit hoher Geschwindigkeit befinde. Es ist wie eine Gruppe herumlaufender Billardkugeln, die ständig miteinander kollidieren, und die Wechselwirkungen zwischen den Atomen folgen den verschiedenen Bewegungsgesetzen der klassischen Mechanik.

Wenn diese Atome jedoch mittels Laser gekühlt werden, nähert sich ihre Temperatur dem absoluten Nullpunkt (in der Größenordnung von uK (Mikrokelvin)). Die Geschwindigkeit der Atombewegung wird stark abnehmen, der Quanteneffekt wird sehr bedeutend und die Wechselwirkung zwischen Atomen kann einfach durch die „ De-Broglie -Welle“ beschrieben werden.

0 1 „Bose-Einstein-Kondensat“ – die wunderbare fünfte Form der Materie

Bereits 1924 stellte der französische Physiker de Broglie eine kühne Vermutung auf: Da Licht die duale Natur von Welle und Teilchen besitzt, sollten alle physikalischen Teilchen (wie Atome und Elektronen) auch ihre eigenen Welleneigenschaften haben. Mit anderen Worten, physikalische Teilchen sind tatsächlich eine Art „Materiewelle“ und haben eine Wellenlänge, die ihrer eigenen Energie entspricht:

Insbesondere erfüllt die Wellenlänge der Materiewelle, die dem Atom entspricht, die folgende Bedingung:

Die physikalische Beziehung zwischen

Die Parameter m und v sind die Masse bzw. Geschwindigkeit des Atoms.

Es ist nicht schwer festzustellen, dass mit abnehmender Geschwindigkeit des Atoms auch die dem Atom entsprechende De-Broglie-Welle zunimmt. Beispielsweise beträgt die De-Broglie-Welle, die Heliumatomen entspricht, unter Raumtemperaturbedingungen (etwa 300 K) etwa 0,09 nm (Nanometer). Diese Wellenlänge ist viel kleiner als der durchschnittliche Abstand zwischen Heliumatomen und kann daher keine makroskopischen Quanteneigenschaften widerspiegeln. Wenn sich Heliumatome dem absoluten Nullpunkt (μK-Niveau) nähern, erhöht sich die De-Broglie-Welle auf etwa 1600 nm, was nahe dem durchschnittlichen Abstand zwischen Atomen liegt. Daher kommt es in atomarem Gas unter niedrigen Temperaturen zu einer „kohärenten Überlagerung“ von Materiewellen, wodurch ein makroskopischer Quantenüberlagerungszustand entsteht, der sich von dem in der klassischen Welt unterscheidet, nämlich das „Bose-Einstein-Kondensat ( BEC )“.

An diesem Punkt bewegen sich einzelne Atome nicht mehr unabhängig voneinander, sondern agieren zusammen mit einer großen Anzahl von Atomen und weisen somit kollektive makroskopische Quanteneigenschaften auf. Alle Atome sind einheitlich wie ein „Superatom“. Diese wunderbare Form der Materie wird auch als fünfte Form der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und Plasma bezeichnet.

Wie also konnte dieser wunderbare Zustand der Materie, der unzählige Atome „im Einklang singen“ lässt, vor hundert Jahren von Einstein (A. Einstein) vorhergesagt werden? Welche interessante Geschichte hat seine Entdeckung mit dem Physiker S.N. zu tun? Bose? Öffnen wir als nächstes den wissenschaftlichen Brief von vor hundert Jahren.

02 Eine wissenschaftliche Vermutung von vor hundert Jahren - Boses Brief

Im Jahr 1924 verwendete der indische Physiker Bose eine neue statistische Methode, um das Planck-Verteilungsgesetz zur Beschreibung von Photonen (d. h. die Formel für die Schwarzkörperstrahlung) neu abzuleiten. Boses Forschungsergebnisse wurden jedoch von mehreren Physikzeitschriften abgelehnt. Da Bose sich nicht mit einem Misserfolg zufrieden geben wollte, schickte er die Forschungsergebnisse direkt an Einstein, der weit weg im fernen Deutschland lebte, in der Hoffnung, dass die Gegenpartei die Forschungsergebnisse wissenschaftlich beurteilen könne.

Im Jahr 1924 erhielt Einstein von Bose ein wissenschaftliches Manuskript (ins Deutsche übersetzt)

(Bildquelle: Springer Nature) Referenzen [1]

Nachdem Einstein Boses Brief gelesen hatte, erkannte er den wichtigen Wert dieses Forschungsergebnisses. Er übersetzte es selbst ins Deutsche und reichte es bei der deutschen Fachzeitschrift „Journal of Physics“ zur Veröffentlichung ein. Im Jahr 1925 erweiterte Einstein Boses Theorie auf den Idealfall eines massiven einatomigen Gases und untermauerte damit Boses Theorie weiter.

Im Jahr 1925 veröffentlichte Einstein eine wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel „Quantentheorie monoatomarer idealer Gase“.

(Bildquelle: Wiley Online Library) Referenzen [2]

Während Einsteins Deduktionsprozess wurde er sich eines interessanten Phänomens sehr bewusst: Selbst wenn die Gesamtzahl der Atome im Gas konstant bleibt, kommt es bei ausreichend niedriger Temperatur zu keiner Wechselwirkung zwischen den Atomen, und dennoch zu einer Umwandlung der materiellen Form dieser Atome, sodass alle Atome in denselben Quantenzustand mit der niedrigsten Energie kondensieren.

In diesem wunderbaren Zustand der Materie überlagern sich die De-Broglie-Wellen zwischen den Atomgasen und ihre jeweiligen Bewegungszustände sind vollständig synchronisiert. An diesem Punkt haben alle Atome völlig konsistente physikalische Eigenschaften und eine einzige Wellenfunktion kann verwendet werden, um die makroskopischen Quanteneigenschaften des gesamten atomaren Gases zu beschreiben. Daher scheinen alle Atome zu einem „Superatom“ zu kondensieren – dem Bose-Einstein-Kondensat.

Schematische Darstellung des Atomzustands im „Bose-Einstein-Kondensat“.

Die entsprechenden charakteristischen Temperaturen betragen 400 nK, 200 nK bzw. 50 nK.

(Bildquelle: JILA, University of Colorado, Boulder) Referenzen [3]

Abschluss

Können also alle Arten von Atomen dieses wunderbare „Bose-Einstein-Kondensat“ erreichen, solange die Temperatur niedrig genug ist? Haben Physiker ein „Bose-Einstein-Kondensat“ experimentell realisiert?

Lassen Sie uns mit Neugier und Fragen loslegen und auf der nächsten Reise weitere interessante Geschichten zum Thema „Bose-Einstein-Kondensat“ entdecken!

Autor:

Luan Chunyang, Quantenhardwareforscher bei der China Mobile Communications Corporation, PhD in Physik an der Tsinghua-Universität

Wang Yutong, PhD, Institut für Physik, Tsinghua-Universität

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Planung: Zhai Guoqing

Produziert von: Science Popularization China

Verweise

[1] Bose. Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese[J]. Zeitschrift für Physik, 1924, 26(1): 178-181.

[2] Einstein A. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. Zweite Abhandlung (Quantentheorie einatomiger idealer Gase, Teil zwei)[J]. SBd Preuß. Akad. Wiss. Ber, 1925, 1(3).

[3] JILA - Universität von Colorado Boulder. URL: https://jila.colorado.edu/.

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