Sólyom Jenő

Az alacsony hőmérsékletek titkai

III. Mit várunk alacsony hőmérsékleten?

A kvantummechanikából tudjuk, hogy egy véges méretű dobozba zárt, de egyébként szabad részecskék gázában az egyes részecskék csak jól meghatározott energiájú állapotokban lehetnek. Ha ez a gáz termikus egyensúlyban van a környezetével, a részecskék onnan energiát nyerhetnek vagy oda energiát adhatnak le, az egyes állapotokat a hőmérséklettől függő valószínűséggel töltik be a részecskék. Feltéve, hogy bármelyik energiaszinten akárhány részecske lehet, magas hőmérsékleten magasan fekvő energiaszinteken is találunk részecskéket. Klasszikus, megkülönböztethető részecskék esetén az átlagos energia arányos lenne a hőmérséklettel. A kvantummechanika szerint a részecskék megkülönböztethetetlenek, s ezért az állapotok átlagos betöltöttségét a klasszikustól eltérő Bose-Einstein-féle eloszlási függvény adja meg.

Animáció: Energianívók termikus betöltése (swf)

A hőmérséklet csökkenésekor egyre kevesebb részecske rendelkezik nagy energiával. Energiájukat a környezetnek átadva alacsonyabb energiájú állapotba kerülnek.

Animáció: Bozonok kondenzációja (swf)

Ha az abszolút nulla fokot elérhetnénk, minden részecske a legalacsonyabb energiájú állapotban lenne. De ha elég nagy számú részecskéről van szó, már egy kísérletileg elérhető hőmérsékleten bekövetkezik az, hogy nagy számban lesznek részecskék ezen a legalacsonyabb nívón. Ez a Bose-Einstein-kondenzáció.

Az elméleti jóslástól a kísérleti megvalósításig 7 évtized telt el. 1995-ben sikerült először Eric Cornellnek és Carl Wiemannak nagy mágneses térben együtt tartott rubídiumatomokat olyan alacsony hőmérsékletre lehűteni, hogy a kondenzáció bekövetkezzék. Lézeres hűtéssel a száz nanokelvin hőmérsékletnek megfelelő tartományig kellett lemenni. Ilyen alacsony hőmérsékleten a mérésekben jól látható egy egyre növekvő csúcs az atomok sebességeloszlásában a nulla sebességnél.

Animáció: Rubídium-atomok Bose-Einstein kondenzációja (mpeg, 2,3 MB!)

A kísérlet kétségtelenül technikai bravúr volt, melyért Cornell és Wiemann jogosan kapta meg a Nobel-díjat, bár nem ez volt az első eset, amikor a Bose-Einstein-kondenzációt meg lehetett figyelni. Van ugyanis egy különleges folyadék, a hélium, ahol a kondenzáció létrejöttét és az abból adódó rendkívüli tulajdonságokat már régóta vizsgálták.