Bose-Einsteinkondensat er en tilstand som kan opptre ved siden av de fire aggregattilstandene fast stoff, væske, gass og plasma. Det kan brukes til å undersøke fundamentale egenskaper hos stoff, men også til sensitive målinger av for eksempel magnetiske felt og gravitasjon.
Bakgrunn
I 1924 sendte den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose (1894-1974) et arbeid om kvantestatistikk for partikler til Albert Einstein. Einstein ble imponert over arbeidet, og hjalp til med å få det publisert på tysk, og fortsatte så selv å jobbe videre med å forstå konsekvensene av den nye kvantestatistikken. Bose og Einsteins arbeider førte til forutsigelsen av at bosoner kan danne kondensere og danne en koherent tilstand dersom de kjøles nok ned. Bosoner er for eksempel fotoner, atomer eller molekyler med heltallig spinnkvantetall, som altså alle kan havne i samme kvantetilstand når de kjøles nok ned. Denne tilstanden ble senere kalt et Bose-Einsteinkondensat. Etter oppdagelsen av superfluiditet på 1930-tallet mente man først at flytende helium kjølt til mindre 2,18 K dannet et Bose-Einsteinkondensat. Imidlertid viste det seg å være vanskelig å beskrive med ligningene basert på Bose og Einsteins arbeider, som tok utgangspunkt i en gass der partiklene ikke vekselvirker. I væskeform vil partiklene vekselvirke med hverandre, og dermed føre til at bare en del av væsken kan regnes som Bose-Einsteinkondensat.
Det første eksperimentelle beviset på et Bose-Einsteinkondensat i gassform ble gitt i 1995 av Eric A. Cornell og Carl E. Wieman i 1995. Ved å laserkjøle en gass av rubidium-atomer i en magnetisk felle, kunne Cornell og Wiemann kjøle gassen ned til 170 nanoKelvin der den dannet et Bose-Einsteinkondensat. Noen måneder senere klarte Wolfgang Ketterle og hans medarbeidere å kjøle ned en gass av natriumatomer til å bli et Bose-Einstein kondensat. For disse arbeidene fikk Cornell, Ketterle og Wiemann Nobelprisen i fysikk i 2001.
Hvordan lages et Bose-Einsteinkondensat?
I et typisk eksperiment for å danne et Bose-Einsteinkondensat benytter man gjerne litt gass bestående av mellom ti tusen og en million atomer, som man laster inn i et kammer og utsetter for laserlys fra 6 forskjellige retninger. Et atom som beveger seg mot en av laserne tar opp et foton og sakker litt ned, for så å sende ut et foton i en tilfeldig retning. Denne prosessen med absorbsjon og emisjon av fotoner vil føre til at hastigheten til atomene reduseres, som igjen betyr at gassens temperatur reduseres. I tillegg til å utsettes for slik laserkjøling, vil også atomene i gassen befinne seg inne i en magnetisk felle, som tillater at bare atomene med mest energi unnslipper, slik at gassen kjøles enda mer ned. På denne måten kan man kjøle gassen ned til under en nanoKelvin, som er nok til å danne Bose-Einsteinkondensater i gasser av for eksempel alkalimetaller, jordalkalimetaller, eller lantanoider. På denne måten har man lage Bose-Einsteinkondensat av gasser av litium, kalium, cesium, kalsium, strontium, krom og ytterbium. Det er også bekreftet at helium kjølt til under 2,18 K delvis består av Bose-Einsteinkondensat, men dette stoffet kjøles ned på mer tradisjonelt vis uten laserkjøling og magnetiske feller.
Egenskaper og anvendelser
Overgangen fra en vanlig gass til et Bose-Einsteinkondensat avhenger av massen og tettheten til partiklene, og har hittil bare blitt demonstrert ved svært lave temperaturer. Når gassen kjøles ned under den kritiske temperaturen der kondensatet dannes, vil alle partiklene i gassen havne i samme kvantetilstand, og man ser en overgang fra Maxwell-Boltzmanns fordelingslov til at partiklene får likere hastigheter og beveger seg som et koherent system.
Bose-Einsteinkondensater kan danne kvantiserte virvler, som ikke finnes i vanlige strømmende gasser og væsker.
Siden et Bose-Einsteinkondensat er et koherent system, kan man bruke det til å gjøre interferometri på atomer med tanke på å forstå deres kvantemekaniske oppførsel eller for å lage sensitive målesystemer for måling av for eksempel gravitasjon.
Bose-Einsteinkondensater kan også brukes til å lage atomlasere, det vil si lasere som består av koherente atomer som kan brukes i atominterferometri.
Gravitasjonskrefter setter begrensinger på dagens studier av Bose-Einsteinkondensater, da disse virker på atomene og forandrer deres bevegelse og reduserer kondensatets levetid. Siden 2020 har forskere rapportert en rekke forsøk for å undersøke rubidium-baserte Bose-Einsteinkondensat i fritt fall på den internasjonale romstasjonen (ISS), med tanke på å forstå Bose-Einsteinkondensater i et miljø med mikrogravitasjon.
I tillegg skal det også nevnes at de lave temperaturene og de små mengdene gass som må brukes til å lage Bose-Einsteinkondensat foreløpig setter en stopper for videre utvikling av anvendelser.