Βραβείο Νόμπελ για τα συμπυκνώματα Bose

Άρθρο, 10-Οκτωβρίου-2001

Το εκατονταετές βραβείο Νόμπελ για τη φυσική για το 2001 απέσπασαν ο Eric Cornell και ο Carl Wieman, από τις Ηνωμένες Πολιτείες και ο Wolfgang Ketterle, από τη Γερμανία, ανακοίνωσε χθές η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία των Επιστημών. Το βραβείο απονεμήθηκε στους ερευνητές που δημιούργησαν τα πρώτα συμπυκνώματα κατά Βose-Einstein - η όπως αποκαλούνται η πέμπτη κατάσταση της ύλης - στο εργαστήριο.

O Erik Cornell 39 ετών γεννημένος στο Πάλο Αλτο της Καλιφόρνιας, καθηγητής του JILA και του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Boulder, του Κολοράντο, ο Wolfgang Ketterle 43 ετών που γεννήθηκε στη Χαϊδελβέργη, του MIT, και ο Carl Wieman 50 ετών από το Ορεγκον των βορειοδυτικών Ηνωμένων Πολιτειών, καθηγητής του JILA και του Πανεπιστήμιου του Κολοράντο, μοιράζονται το βραβείο του 2001 για "το επίτευγμα της συμπύκνωσης κατά Βose-Einstein  στα αραιά αέρια των αλκαλικών ατόμων, και για τις πρώτες θεμελιώδεις μελέτες των ιδιοτήτων των συμπυκνωμάτων".

Η ψύξη και η συμπύκνωση

Η συμπύκνωση  κατά Βose-Einstein προβλέφθηκε αρχικά το 1924 από έναν ινδό φυσικό, τον Satyendra Nath Bose, κάνοντας σημαντικούς θεωρητικούς υπολογισμούς σχετικά με τα ελαφριά σωματίδια και στέλνοντας την εργασία του στον Albert Einstein.

Αυτός επέκτεινε την θεωρία αυτή σε έναν ορισμένο τύπο ατόμου. Ο Einstein πρόβλεψε ότι εάν ένα αέριο τέτοιων ατόμων ψυχθεί σε μια πολύ χαμηλή θερμοκρασία όλα τα άτομα θα βρίσκονταν ξαφνικά στη χαμηλότερη πιθανή ενεργειακή κατάσταση. Τα άτομα τότε στην υπέρψυχρη κατάσταση είναι σχεδόν εντελώς ακίνητα και στην ίδια φυσική κατάσταση. Η διαδικασία αυτή είναι παρόμοια με την περίπτωση που σχηματίζονται σταγόνες του υγρού από ένα αέριο, και για αυτό υπάρχει ο όρος συμπύκνωση.

Σε ένα συμπύκνωμα Bose το μήκος κύματος de Broglie των ατόμων είναι συγκρίσιμο με το μέσο διατομικό διάστημα (την μέση απόσταση μεταξύ των ατόμων), που αναγκάζει έτσι όλα τα άτομα να συμπυκνωθούνι στην ίδια κβαντική βασική κατάσταση. Όλα τα άτομα δηλαδή περιγράφονται από την ίδια κβαντική κυματοσυνάρτηση, η οποία δίνει στο συμπύκνωμα πολλές ασυνήθιστες ιδιότητες.

Όπως είναι γνωστό μια ακτίνα λέιζερ διαφέρει από το φως μιας συνηθισμένης λάμπας για διάφορους λόγους. Στο λέιζερ τα σωματίδια του φωτός έχουν όλα την ίδια ενέργεια και ταλαντεύονται μαζί (συμφασικά).

Aπό καιρό όμως ήταν μια πρόκληση για τους ερευνητές, να αναγκάσουν την ύλη να συμπεριφέρεται επίσης με αυτόν τον ελεγχόμενο τρόπο, όπως και το φως ενός Laser.  Οι φετινοί βραβευμένοι Νομπελίστες έχουν πετύχει, να αναγκάσουν τα άτομα να βρίσκονται σε μια ενιαία κατάσταση, ανακαλύπτοντας κατά συνέπεια μια νέα κατάσταση, το συμπύκνωμα Βose-Einstein (BEC).

Εβδομήντα έτη πέρασαν όμως από την θεωρητική σύλληψη του BEC πριν οι φετινοί Νομπελίστες, καταφέρουν το 1995, να πετύχουν το κατόρθωμα αυτής της ακραίας κατάστασης.

Οι Cornell και Wieman και οι συνάδελφοι τους στο Boulder του Colorado το 1995, παρήγαγαν ένα καθαρό συμπύκνωμα περίπου 2.000 ατόμων ρουβιδίου σε θερμοκρασία 20 nK (nanokelvin), δηλ. 0,000 000.02 βαθμών επάνω από το απόλυτο μηδέν.

Ανεξάρτητα από την εργασία των Cornell και Wieman, ο Ketterle μαζί με συνάδελφους του στο MIT, εκτέλεσε τα αντίστοιχα πειράματα το ίδιο έτος με άτομα όμως του νατρίου. Τα συμπυκνώματα που κατόρθωσε να παραγάγει περιείχαν περισσότερα άτομα και θα μπορούσε επομένως να χρησιμοποιηθούν για να ερευνήσει περαιτέρω αυτό το φαινόμενο.

Στην δεξιά εικόνα βλέπουμε ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, μιας ομάδας ατόμων ρουβιδίου σε τρεις φάσεις. Πριν από την αρχή της συμπύκνωσης, κατά τη διάρκεια της και μετά το τέλος της. Το ύψος των κορυφών αντιστοιχεί στον αριθμό των ατόμων της ομάδας.

Χρησιμοποιώντας δύο χωριστά BECs που τους επετράπει να διασταλούν το ένα στο άλλο, ο Ketterle έλαβε πολύ σαφή σχέδια παρέμβασης, δηλ. σαν το σχέδιο που σχηματίζεται στη επιφάνεια του νερού όταν ρίχνονται συγχρόνως δύο πέτρες.

Αυτό το πείραμα έδειξε ότι το συμπύκνωμα περιείχε εξ ολοκλήρου συντονισμένα άτομα.

Ο Ketterle παρήγαγε επίσης ένα ρεύμα μικρών "σταγόνων bec" που έπεσαν κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως πρωτόγονη "ακτίνα λέιζερ" χρησιμοποιώντας την ύλη αντί του φωτός.

Από τότε έχει υπάρξει μια έκρηξη ενδιαφέροντος μεταξύ των φυσικών για τη συμπύκνωση Bose, δεδομένου ότι οι φυσικοί έχουν εξετάσει πλήρως τις ιδιότητες αυτής της μοναδικής κατάστασης.

Είναι ενδιαφέρον να σκεφτεί κάποιος τις περιοχές που θα εφαρμοστεί η συμπύκνωση κατά BEC. Ο νέος "έλεγχος" της ύλης,  που αυτή η τεχνολογία περιλαμβάνει, πρόκειται να φέρει επαναστατικές εφαρμογές σε τέτοια πεδία όπως η ακριβής μέτρηση και η νανοτεχνολογία, η παραγωγή   λέιζερ ατόμων - σαν τα λέιζερ των ακτίνων στα οποία τα φωτόνια αντικαθίστανται από τα άτομα - και θεμελιώδεις διαδικασίες μελέτης όπως η υπερρευστότητα. .

Μποζόνια και φερμιόνια

Κάθε σωματίδιο στη Φύση, μπορεί να ταξινομηθεί είτε σαν φερμιόνιο είτε σαν μποζόνιο (από το όνομα του Bose). Τα φερμιόνια είναι ο τύπος των σωματιδίων που φτιάχνουν ένα άτομο, πχ ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια, κι έχουν ημιακέραιο spin. Από την άλλη μεριά, το πιό καλό παράδειγμα μποζονίου είναι το φωτόνιο, δηλαδή το σωματίδιο του φωτός, το φωνόνιο αλλά και τα σωματίδια φορείς των ασθενών και ισχυρών αλληλεπιδράσεων (W & Z), που αυτά έχουν ακέραιο spin.

Τα μποζόνια και τα φερμιόνια, συμπεριφέρονται με πολύ διαφορετικούς τρόπους που εξηγήθηκαν από την πρώτη απαγορευτική αρχή του Pauli. O Wolfgang Pauli που διατύπωσε την ομώνυμη αρχή του στα 1924, αναφέρει ότι δύο φερμιόνια δεν μπορούν να βρεθούν στην ίδια ενεργειακή κατάσταση.

Η απαγορευτική αρχή του Pauli δεν ισχύει για τα μποζόνια, τα οποία όμως υπακούουν στην στατιστική κατανομή Bose-Einstein. Έτσι πολλά μποζόνια μπορούν να "συγκατοικήσουν" στην ίδια κατάσταση. Η συμπύκνωση τώρα Bose-Einstein  λέγεται το φαινόμενο της "συγκατοίκησης" ενός μη μηδενικού ποσοστού των ατόμων σε μιά μόνο κβαντική κατάσταση.

Οι πρωταγωνιστές των βραβείων Nobel

Οι νικητές θα μοιραστούν το βραβείο με μετρητά 10 εκατομμυρίων σουηδικών κορωνών - γύρω στο ένα εκατομμύριο δολάρια - ενώ θα λάβουν τα χρυσά μετάλλια και τα διπλώματά τους σε μια μεγαλοπρεπή τελετή στη Στοκχόλμη στις 10 Δεκεμβρίου.

Η Σουηδική πρωτεύουσα γιορτάζει εφέτος την εκατονταετία των βραβείων Nobel, με μια έκθεση, ένα πρόγραμμα με διαλέξεις και διαγωνισμό δοκίμιου σπουδαστών.