25.12.2013

В едином конденсате

Около века назад индиец Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн задались вопросом: что будет с группой атомов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю? Теоретики пришли к выводу, что любая материя при таком охлаждении ведет себя сходным образом. То есть как, например, и пары воды, образует жидкий конденсат, в котором отдельные частицы ведут себя как единое целое (в отличие от их хаотического движения в газе и паре). В честь их основополагающей работы явление получило название Бозе-Эйнштейновский конденсат (ВЕС).

Известно, что «единый» охлажденный конденсат атомов может возбуждаться, генерируя в окружающем его квантовом газе звукоподобные волны, или фононы. Известно также, что звуковые волны представляют собой механические колебания, которые в обычных условиях ведут к довольно грубым взаимодействиям электронов с материалом. Вследствие этого материал нагревается и расширяется. Возбуждение также приводит к тому, что электроны атомов, вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра, начинают переходить с нижних слоев-орбит на более высокие, а то и совсем «срываться» с них. (На основе эффекта ухода с орбиты мы имеет электронно-лучевую трубку, без которой в старое время было бы невозможно телевидение.)

Возбужденные атомы конденсата получили название «атомы Ридберга». Исследователи Штутгартского университета занимались изучением такого рода атомов. Они определили, что одиночный – single – электрон вращается вокруг центра-сердцевины по эллиптической орбите (как планеты Солнечной системы). Все это в общих чертах было известно и до них, проблема состояла, однако, в том, что нынешнего уровня инструментального разрешения не хватает для детализации процесса на расстояниях меньше нанометра (одной миллиардной метра).

Немецкие исследователи экспериментировали с «коллективным» атомом, полученным путем лазерного охлаждения. Он представляет собой совокупность, вернее, «хладное» облако из как минимум сотни тысяч атомов. Диаметр такого коллективного атома составлял восемь микрометров (микрон), что соответствует цепочке из нескольких клеток кишечной палочки Е.coli. Ничего подобного таких гигантских размеров квантовая физика еще не знала.

Помимо объединения атомов произошло и «обобществление» электронов, внешний из которых стал вращаться на фантастическом 202-м уровне-слое. Для сравнения: даже у трансурановых элементов число слоев электронной оболочки не больше 10. Сейчас авторы статьи в Nature работают над визуализацией электронных орбиталей, что поможет решить одну из сугубо практических проблем – внести новое знание в понимание механизма сверхпроводимости.

Дело в том, что электрон-фононное взаимодействие приводит к формированию знаменитых куперовских пар, на которые опирается теория сверхпроводимости Бардина–Купера–Шнеффера. Она была сформулирована до открытия высокотемпературной сверхпроводимости. И пока никто не может понять, почему фононы, обычно приводящие к повышению электрического сопротивления, в некоторых материалах эффективно его «гасят», обеспечивая тем самым беспрепятственное прохождение тока. Подобного рода проблемы очень сложно исследовать на масштабах нанометра. Но совсем иное дело, когда атом «разрастается» до микронов.

В Гейдельбергском университете для выяснения роли атомов Ридберга в естественных условиях фотосинтеза провели компьютерное моделирование. Было доказано, что между двумя подобными атомами существует связь (entanglement), которая необходима для передачи уловленной энергии солнечного фотона. Авторы статьи в Science полагают, что они находятся теперь в хорошем положении для изучения и контроля системы, в которой осуществляется квантовый транспорт энергии. Это очень важно для понимания центральной проблемы фотосинтеза – эффективной передачи энергии после ее улавливания световой антенной фотосистемы зеленого листа. Ведь эффективность трансформации энергии в созданных человеком синтетических системах оставляет желать лучшего. Так что возможно, что изучение гигантского атома поможет со временем в овладении квантовыми тайнами фотосинтеза.

Фотосинтез запускается квантами энергии Солнца, являющегося звездой, которой суждено погаснуть. На его место придет новая звезда, процесс рождения которой астрономы Йельского университета зафиксировали с помощью орбитального телескопа Spitzer и наземного, который расположен в чилийской пустыне Атакама, о чем сообщили в «Астрофизическом журнале».

Наблюдателей поразило наличие двух сверхзвуковых струй-джетов, устремляющихся в пространство из центра формирования звезды с двумя крыльями бабочки разных цветов – красного и зеленого. Интересно теперь понять внутреннюю связь трех перечисленных феноменов.

Александр Спирин

Источники:

1. ng.ru