Приложение на Бозе кондензат на Айнщайн в науката за квантовата информация. Кондензат на Бозе-Айнщайн. Как да се получи кондензат на Бозе-Айнщайн
В газ от бозонни атоми някои от атомите напълно губят своята кинетична енергия и импулс при сравнително ниска, но крайна температура. Такива атоми се наричат Бозе кондензат от лат. condenso - „удебелявам“. Вълновите функции на атомите на кондензата са взаимно съгласувани във фаза. На тази база разработен атомни лазери излъчващи атоми с кохерентни вълнови функции.
Феноменът на пълната загуба кинетична енергиячаст от идеален бозонен газ при ниска температура е теоретично открит от А. Айнщайн през 1925 г. Процесът се нарича Бозе кондензация на частици в импулсното пространство . Изследван е подробно от Фриц и Хайнц Лондон през 1938 г. Бозе кондензацията е следствие от факта, че химичният потенциал на бозонния газ не може да бъде положителен. При нормална температура химическият потенциал на газа е отрицателен. С понижаване на температурата химическият потенциал се увеличава и при достатъчно ниска температура достига най-високата възможна стойност. По-нататъшното понижаване на температурата води до намаляване на броя на частиците в газовата фаза и някои от атомите се утаяват в кондензата.
Хайнц Лондон (1907–1970) и Фриц Лондон (1900–1954) –
основател на теорията за свръхпроводимостта и квантовата химия
Не е било възможно да се получи кондензация експериментално повече от 50 години, тъй като при ниски температури междуатомното взаимодействие привлича атомите един към друг, образуват се клъстери и след това течно или твърдо състояние преди началото на Бозе кондензацията. Клъстер възниква, когато три или повече частици се сблъскат, което е по-вероятно при високи концентрации. При ниски концентрации на частици преобладават двойните сблъсъци, осигуряващи установяването на топлинно равновесие. За да се предотврати образуването на клъстери, концентрацията на газ трябва да се намали. Метастабилен бозе кондензат в разредени газове от рубидиеви, натриеви и литиеви атоми е получен за първи път от W. Ketterle, K. Wieman и E. Cornell през 1995 г. Водородните атоми са кондензирани през 1997 г. Бозе кондензатът проявява уникални свойства: температура, скорост на светлината 
, скорост на звука.
Волфганг Кетерле, Карл Виман, Ерик Корнел
Атомни бозони. Спинът на атома се състои от спиновете на електроните на обвивката и нуклоните на ядрото; техните спинове са равни на 1/2. Броят на електроните е равен на броя на протоните, така че общият им спин в електрически неутрален атом е цяло число. Въртенето на един атом се определя от броя на неутроните. Бозоните са атоми с четен брой неутрони , например: 1 H 1, 2 He 4, 3 Li 7, 11 Na 23, 37 Rb 87, където долната цифра е поредният номер на елемента в периодичната таблица или броят на протоните в ядрото, горната цифра е масово числоили броят на протоните и неутроните в ядрото. Атом с четна разлика в числата е бозон. Когато над ниски температуриатомите са в основно състояние, така че първите два имат нулев спин, а последните три имат спин, равен на единица. Брой състояния на въртене
Барионният брой на нуклоните се запазва, така че броят на атомите в изолирана система не се променя.
Разпределение на бозонната енергия. Използваме разпределението на Бозе-Айнщайн (4.10) за средния брой частици в едно състояние
,
и плътност на състоянията на триизмерен газ (3.8)
, 
.
Получаваме броя на частиците в енергийния диапазон в газ с обем V
. (4.77)
Общ брой частицинамираме от (4.77)
. (4.78)
Химически потенциалсе определя от (4.78). При промяна на температурата броят на частиците остава същият, след това от Tне зависи
,
когато се вземат предвид. Следователно, когато температурата намалява, |m| намалява, а химическият потенциал се увеличава от отрицателни стойностидо нула. Ако е температурата, при която химичният потенциал става нула:
тогава, когато е изпълнено
. (4.79)
Когато температурата падне под, увеличаването на μ е невъзможно и (4.78) е изпълнено поради намаляване на броя на газовите частици.
Праг на кондензацияе горната граница на температурния диапазон, където химичният потенциал е нула. От (4.78) получаваме
,
Където н– брой частици газ при нормална температура. Използвайки
за , намираме интеграла
,
получаваме
. (4.80)
Температурата на прага на кондензация се повишава с увеличаване на атомната концентрация и с намаляване на атомната маса .
Ние изразяваме масата на атома чрез моларна маса
ние изразяваме концентрацията на атомите по отношение на моларен обем
.
От (4.80) в системата от единици CGS получаваме
[ДА СЕ]. (4,81)
За 2 He 4 с параметри:
, , 
,
Получаваме дължината на вълната на де Бройл при . За атом със средна енергия
и импулс
използваме (4.80) и получаваме
,
.
Имайки предвид къде де средното разстояние между атомите, намираме
.
С понижаването на температурата дължината на вълната на де Бройл на атома се увеличава и когато се достигне прагът на кондензация, тя се сравнява с разстоянието между атомите. Вълновите функции на частиците се припокриват и интерферират, а бозе-кондензатът проявява квантови свойства.
Брой кондензирани частици. В температурния диапазон химическият потенциал е нула. При температури под T 0 уравнение (4.78)
, ,
извършва се чрез намаляване на броя на частиците в газовата фаза от оригинала нкъм ток н 1 (T). Подобно на (4.80) получаваме
, .
Разделете резултата на (4,80)
,
и намерете броя и концентрацията на частиците, оставащи в газовата фаза:
, (4.82)
. (4.82a)
Брой кондензирани частици
. (4.83)
Относителният брой на кондензираните частици е показан на фигурата.
Вътрешен енергиен и топлинен капацитет. Използване на (4.77)
,
получаваме вътрешна енергия
, (4.84)
В областта на кондензацията намираме
, (4.85)
.
Вътрешната енергия се определя само от приноса на газовата фаза, вътрешната енергия на кондензираната фаза е нула . От (4.85) и (4.82)
намираме енергията на частица от газовата фаза в кондензационната област:
. (4.86)
От (4.85) намираме топлинния капацитет под прага на кондензация:
. (4.87)
Като се има предвид (4,80)
,
от (4.87) получаваме топлинния капацитет при температура на кондензация
. (4.87a)
Безплатна енергия. От (4,85)
и от уравнението на Гибс–Хелмхолц (2.29) намираме
. (4.88)
Ентропия и наляганесе изразяват чрез безплатна енергия
Като вземем предвид (4.88), в кондензационната област получаваме
, (4.89)
, (4.90a)
Изразът (4.90b) е уравнение на състоянието на нерелативистичен идеален квантов газ , и съвпада с уравнението на състоянието на класически идеален газ. Сравняване на (4.89) и (4.82)
,
намираме това ентропията е пропорционална на броя на частиците в газовата фаза . следователно ентропията на кондензираната фаза е нула . Налягането (4.90a) се определя от температурата и не зависи от обема. Кондензираните частици имат нулев импулс и не създават налягане. Определя се от концентрацията на частиците в газовата фаза (4.82a)
,
. (4.91)
Провеждане на конденз. Сблъсъците на две частици осигуряват термодинамично равновесие на газа. Сблъсъците на три частици водят до образуването на течни и твърди състояния. При относително висока плътност на газа сблъсъците на три частици са значителни. Междуатомното взаимодействие образува течно или кристално състояние при ниски температури. При ниска плътност на газа вероятността от сблъсъци на три частици е значително по-малка от сблъсъци на две частици. В резултат на това при ниски температури е възможно газообразно метастабилно състояние с доста многоживот. Първите кондензати са получени от рубидиеви, натриеви и водородни атоми при температура на газовата фаза ~10–2 K, под налягане П < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .
Задържане на газтавъв вакуумирана стъклена клетка в зона с размер по-малък от 1 mm магнитен капан . Системата на намотките създава неравномерно магнитно поле с абсолютен минимум в центъра. Магнитен момент на атома стрмв магнитно поле бполучава енергия (– стрм×Б). За точка 2 в центъра на капана полето е незначително, за точка 1 далеч от центъра полето бсилен. При термодинамично равновесие електрохимичните потенциали във всички точки са еднакви
.
Магнитен капан
В основното състояние на атома 2 He 4 спиновете на електроните са насочени в противоположни посоки, техните магнитни моменти са компенсирани и атомът няма собствен магнитен момент. Когато се включи външно магнитно поле, в атома се появява кръгов ток от електрони поради явлението електромагнитна индукция. Съгласно правилото на Ленц, индуцираният магнитен момент е насочен срещу външното поле, което дава
,
Химическият потенциал се увеличава с увеличаване на концентрацията на частиците, тогава получаваме
Атомите с магнитни моменти, насочени срещу полето, се изтласкват от силно към слабо магнитно поле - “ диамагнитните атоми търсят слабо поле " В резултат на това атомите се събират и задържат в центъра на капана. Зоната на задържане има формата на пура с диаметър ~(10...50) микрона, дължина ~300 микрона. Атомите се отстраняват от капана чрез кратък импулс на високочестотно лъчение, което накланя магнитните моменти на атомите. Възниква суперпозиция на състояния с моменти, насочени срещу и покрай полето, последно състояниее изтласкан от капана.
За задържане на бозе-кондензата са разработени и микросхеми, които създават необходимата конфигурация на магнитното поле на разстояние ~0,1 mm от повърхността им и консумират мощност от ~1 W. На тези разстояния чипът създава по-нееднородно магнитно поле от намотката, осигурявайки по-добро задържане на газ. Чипът е миниатюрен, има стайна температура, неговото топлинно излъчване се абсорбира слабо от газа. Чрез промяна на токовете на чипа можете да преместите центъра на уловителя и да преместите бозе кондензата по повърхността на чипа.
Газово охлажданеизвършено лазерен метод , базиран на ефекта на Доплер. Ако лазерно лъчение с честота n се насочи към хаотично движещи се атоми< n 0 , где n 0 – частота резонансного поглощения атома, то покоящиеся и движущиеся от лазера атомы не поглощают излучение. Атом, движущийся к лазеру со скоростью V, възприема честотата
и при n¢ = n 0 поглъща фотон. В резултат на това атомът получава импулс срещу скоростта си и се забавя. Един възбуден атом излъчва енергия средно изотропно. Излъчването в близката инфрачервена област на спектъра, създадено от полупроводникови лазери и насочено към газа от шест взаимно перпендикулярни страни, води до неговото охлаждане.
Също така се използва изпарително охлаждане чрез изхвърляне на атоми с най-висока скорост от периферията на капана с помощта на високочестотно магнитно поле. Той накланя магнитните моменти, създавайки компонент по посока на полето, който се изхвърля от капана. Частиците с по-висока скорост достигат границата на газа по-бързо и тяхната концентрация на границата е по-висока от концентрацията на частици с ниска скорост. Следователно е по-вероятно високоенергийните частици да се изпарят. За уловител, базиран на намотки, охлаждането настъпва до температура на газовата фаза от около 10–7 K за време от 10 s до 10 min. За чипа температурата, необходима за кондензация, се постига за по-малко от 1 s. Концентрацията на атомите на кондензата е ~10 14 cm –3, топлинната енергия съответства на температура под 10 –11 K.
БОЗЕ-АЙНЩАЙНОВА КОНДЕНЗАЦИЯ(Бозе кондензация) е квантово явление, което се състои в това, че в система от голям брой частици, подчинени на Статистика на Бозе - Айнщайн(бозе-газ или бозе-течност), при по-ниска температура температурна дегенерацияКрайна част от всички частици в системата са в състояние на нулев импулс. Терминът "B--E. k." се основава на аналогията на това явление с кондензацията на газ в течност, въпреки че тези явления са напълно различни, тъй като при B.-E.K. това се случва в импулсното пространство, а разпределението на частиците в координатно пространствоне се променя. Теорията на Б.-Е. е изградена от А. Айнщайн през 1925 г. и развита от Ф. Лондон през 1938 г.
Тъй като B.-E.K. се среща дори в идеален бозе газ, причината за това са свойствата на вълновата функция на частиците, а не взаимодействията между тях. За идеален Bose газ от Разпределение на Бозе - Айнщайн
(Където T- коремни мускули. temp-pa, напр Р- енергия на частица с импулс - хим. потенциал) следва, че в най-ниската енергия. състояние с разположени частици. От положителността следва, че Ако факторът на израждане 
е близо до 1, тогава може да има много частици в състояние c. Следователно приносът на частиците c не може да бъде пренебрегнат при изчисляването на cf. количества От условието за постоянство на общия брой частици в обема Vследва уравнението за:
- дължина на вълната на де Бройл, съответстваща на топлинно движение, T- маса на частиците. Оттук
T0- скоростта на Бозе-кондензация или скоростта на дегенерация се намира от условието, което е написано в следното. форма: 
.
При Т=0всички частици са в кондензата, докато в кондензата има само н 0 частици, а останалите се подчиняват на c . Когато налягането се окаже функция само на температурата и не зависи от обема, тъй като кондензните частици, които нямат инерция, не допринасят за налягането. Когато производната на топлинния капацитет претърпи окончателен скок, но самият топлинен капацитет, енергията и налягането остават непрекъснати, следователно системата претърпява един вид фазов преход.
в , къде Ае дължината на разсейване за потенциала на взаимодействие. Ако плътността не е ниска, тогава броят на частиците в кондензата може да се оцени с помощта на вариационния метод. За бозе течност с взаимодействие на молекули като твърди сфери с диаметър b
За cm, cm 3, така че 0,08. Според оценки, базирани на разсейване на неутрони, плътността на кондензата е няколко. % и има приблизително същата температурна зависимост като плътността на свръхфлуидния компонент. Въпреки това, плътността на частиците на кондензата и плътността на свръхфлуидния компонент не могат да бъдат идентифицирани, защото когато Т=0Цялата течност е свръхтечна, въпреки че не всички нейни частици са в кондензата.
БОЗЕ-АЙНЩАЙНОВА КОНДЕНЗАЦИЯ (Бозе-кондензация), квантов феномен, състоящ се във факта, че в система от голям брой частици, подложени на Бозе-Айнщайн статистика (Бозе-газ или Бозе-течност), при температури под температурното израждане, крайна част от всички частици на системата се появяват в състояния с нулев импулс. Терминът „кондензация на Бозе-Айнщайн“ възниква по аналогия с концепцията за кондензация на газ в течност, въпреки че тези явления са напълно различни, тъй като кондензацията на Бозе-Айнщайн се случва в пространството на импулса, а разпределението на частиците в координатното пространство не промяна. Теорията на Бозе-Айнщайн за кондензацията е построена от А. Айнщайн през 1925 г. и развита от Ф. Лондон през 1938 г.
Тъй като кондензацията на Бозе-Айнщайн възниква дори в идеален газ на Бозе, тя не се причинява от взаимодействията между частиците, а от свойствата на симетрия на вълновата функция, описваща системата от частици. За идеален газ на Бозе от импулсното разпределение на Бозе-Айнщайн p следва, че в състояние с по-ниска енергия с p = 0 при температура T има N 0 = [exp(-μ/kT) - 1] -1 частици (μ е химичният потенциал, k - Болцманова константа). Под температурата на израждане T 0 в кондензата има N 0 = N частици (където N е общият брой на частиците), а останалите се подчиняват на разпределението на Бозе - Айнщайн с μ = 0. При T = 0 всички частици от идеален бозе газ са в кондензата.
В неидеален газ се запазва феноменът на кондензация на Бозе-Айнщайн, но взаимодействието между частиците значително намалява броя на частиците в кондензата, така че дори при T = 0 значителен брой частици остават в състояния с ненулеви моменти.
За по-голямата част от газовете температурата на дегенерация е много ниска и веществото се превръща в твърдо състояние много по-рано, отколкото може да възникне Бозе-Айнщайнова кондензация. Изключение прави хелият, който е нормални условияпри T = 4,2 K преминава в течно състояние и остава течно до температури, най-близки до абсолютната нула.
Свръхпроводимостта може да се разглежда като следствие от кондензацията на Бозе-Айнщайн на корелирани купърови двойки електрони с противоположни моменти и спинове.
През 90-те години на миналия век кондензацията на Бозе-Айнщайн се наблюдава при експерименти с пари на алкални метали (литий, цезий и др.), чиито атоми са бозони (Е. Корнел, У. Кетерле, К. Уайман; Нобелова награда, 2001), а през 2003 г. е извършено върху „двойки“ фермиони, които образуват бозон под въздействието на външно магнитно поле.
Лит.: Хуанг К. Статистическа механика. М., 1966; Лифшиц Е. М., Питаевски Л. П. Статистическа физика. 2-ро изд. М., 2000.
Квантова механика, който е един от най-важните клонове на съвременната теоретична физика, е създаден сравнително наскоро - през 20-те години на нашия век.
Основната му цел е да изследва поведението на микрочастици, като електрони в атом, молекула, твърдо тяло, електромагнитни полета и др.
В историята на развитието на всеки клон на теоретичната физика трябва да се разграничат няколко етапа: първо, натрупването на експериментални факти, които не могат да бъдат обяснени с помощта на съществуващите теории, второ, откриването на отделни полуемпирични закони и създаването на предварителни хипотези и теории, и трето, сътворението общи теории, което ни позволява да разберем съвкупността от много явления от една единствена гледна точка.
Тъй като теорията на Максуел-Лоренц обяснява нарастващ брой явления на микросвета (проблемът с радиацията, разпространението на светлината, дисперсията на светлината в медиите, движението на електрони в електрически и магнитни полетаи т.н.). Постепенно започват да се натрупват експериментални факти, които не се вписват в рамките на класическите представи.
В същото време, за да се изгради теорията за равновесното електромагнитно излъчване, фотоелектричния ефект и ефекта на Комптън, беше необходимо да се въведе предположението, че светлината, наред с вълновите свойства, трябва да има и корпускулярни свойства. Това е взето предвид в квантовата теория на Планк-Айнщайн. Дискретната структура на светлината намери своето описание чрез въвеждане на константата на Планк h=6,62*IO" 27 ерг-сек.Квантовата теория беше успешно използвана и при изграждането на първата квантова теория на атома, теорията на Бор, която се основаваше на планетарния модел на атома, който следваше от експериментите на Ръдърфорд за разсейването на алфа-частици от различни вещества. От друга страна, цяла поредица от експериментални данни, като дифракция, интерференция на електронен лъч, ни казаха, че електроните, заедно с корпускулярните, също проявяват вълнови свойства
Първият обобщаващ резултат от задълбочен анализ на всички предварителни теории, както и експериментални данни, потвърждаващи както квантовата природа на светлината, така и вълновите свойства на електроните, беше вълновото уравнение на Шрьодингер (1926), което направи възможно разкриването на законите на движението на електрони и други атомни частици и да изгради, след откриването на вторичното квантуване, уравнения на Максуел-Лоренц, относително последователна теория на радиацията, вземаща предвид квантовата природа на светлината. С появата на уравнението на Шрьодингер учените, които изучават атома, получават в ръцете си същото мощно оръжие, което някога е било дадено на астрономите след появата на основните закони на механиката на Нютон, включително закона за универсалната гравитация
Ето защо не е изненадващо, че с появата на уравнението на Шрьодингер много факти, свързани с движението на електрони вътре в атома, намериха своето теоретично оправдание.
Въпреки това, както се оказа по-късно, теорията на Шрьодингер не описва всички свойства на атомите; с негова помощ беше невъзможно по-специално да се обясни правилно взаимодействието на атом с магнитно поле исъщо така изграждат теория за сложните атоми. Това се дължи главно на факта, че теорията на Шрьодингер не отчита релативистките и спиновите свойства на електрона.
По-нататъшно развитие на теорията на Шрьоденгер е релативистката теория на Дирак. Уравнението на Дирак даде възможност да се опишат както релативистичните, така и спиновите ефекти на електроните. Оказа се, че ако отчитането на релативистичните ефекти в атомите с един електрон води до относително малки количествени корекции, тогава при изследване на структурата на атоми с няколко електрона, като се вземе предвид. отчитането на спиновите ефекти е от решаващо значение. Едва след като спиновите свойства на електроните бяха взети предвид, беше възможно да се обясни правилото за запълване на електронни обвивки в атом и да се даде периодичен законСтрогото оправдание на Менделеев.
С появата на уравнението на Дирак фундаменталните въпроси, свързани със структурата на електронната обвивка на атома, можеха да се считат за до голяма степен разрешени, въпреки че задълбочаването на нашите познания в развитието на отделни детайли трябваше да продължи. В тази връзка трябва да се отбележи, че влиянието на така наречените електромагнитни и електронно-позитронни вакууми, както и влиянието на магнитните моменти на ядрата и размерите на ядрените частици, в момента се изследват подробно. Аенергийни нива на атомите.
Един от характерни особеностиПървият етап от теорията на елементарните частици, наречен квантова теория на полето, е описанието на взаимната конвертируемост на елементарните частици. По-специално, според теорията на Дирак, е предсказана възможната трансформация на гама лъчи в двойка електрон-позитрон и обратно, което след това е потвърдено експериментално
По този начин, ако в класическата теория имаше две разлики между светлината и електроните: а) светлинни вълни, електроните са частици, б) светлината може да се появи и да се абсорбира, но броят на електроните трябва да остане непроменен, тогава в квантовата механика със своята характеристика дуализъм вълна-частица първото разграничение между светлина и електрони е изтрито. Но в нея, както и в теорията на Лоренц, броят на електроните трябваше да остане непроменен едва след появата на квантовата теория на полето, която описва взаимната конвертируемост на елементарните частици, втората разлика всъщност беше изтрита.
Тъй като една от основните задачи на теоретичната физика е изучаването на реалния свят и на първо място най-простите форми на неговото движение, които определят и по-сложни явления, естествено е всички тези въпроси винаги да са свързани с философски въпроси и , по-специално, с въпроса за познаваемостта на микросвета, следователно не. Изненадващо е, че много видни физици, които са направили най-важните откритияв областта на физиката, те същевременно се опитаха да интерпретират тези открития от една или друга философска гледна точка. Благодарение на такива възгледи беше открито Кондензационен ефект на Бозе-Айнщайн.
До 1920 г. физиците вече са били доста запознати с двойствената природа на светлината: резултатите от някои експерименти със светлина могат да се обяснят, като се приеме, че светлината е вълна, докато в други тя се държи като поток от частици. Тъй като изглеждаше очевидно, че нищо не може да бъде едновременно вълна и частица, ситуацията остана неясна, предизвиквайки разгорещени дебати сред специалистите. През 1923 г. френският физик Л. дьо Бройл в своите публикувани бележки предполага, че подобно парадоксално поведение може да не е специфично за светлината, но материята може също да се държи като частици в някои случаи и като вълни в други. Въз основа на теорията на относителността, де Бройл показа, че ако импулсът на една частица е равен на стр, тогава вълната, „свързана“ с тази частица, трябва да има дължина на вълната л = ч /стр.Тази връзка е подобна на връзката, получена за първи път от Планк и Айнщайн д = ч нмежду енергията на светлинния квант ди честота нсъответна вълна. Де Бройл също показа, че тази хипотеза може лесно да бъде тествана в експерименти, подобни на тези, демонстриращи вълновата природа на светлината, и той упорито призоваваше за провеждането на такива експерименти. Бележките на Де Бройл привлякоха вниманието на Айнщайн и до 1927 г. К. Дейвисън и Л. Гермър в Съединените щати, както и Дж. Томсън в Англия, потвърдиха не само основната идея на де Бройл за електроните, но и неговата формула за дължината на вълната. През 1926 г. австрийският физик Е. Шрьодингер, който тогава работи в Цюрих, чувайки за работата на де Бройл и предварителните резултати от експерименти, които я потвърждават, публикува четири статии, в които представя нова теория, която е солидна математическа обосновка за тези идеи.
Тази ситуация има своя аналог в историята на оптиката. Просто увереността, че светлината е вълна с определена дължина, не е достатъчна Подробно описаниеповедение на светлината. Необходимо е също да се напишат и решат диференциалните уравнения, получени от Дж. Максуел, които описват подробно процесите на взаимодействие на светлината с материята и разпространението на светлината в пространството във формата електромагнитно поле. Шрьодингер пише диференциално уравнениеза материалните вълни на де Бройл, подобно на уравненията на Максуел за светлината. Уравнението на Шрьодингер за една частица има формата
=d/dxКъдето м– маса на частиците, д– нейната пълна енергия, V (х) е потенциална енергия и г– величина, описваща електронна вълна. В редица трудове Шрьодингер показа как неговото уравнение може да се използва за изчисляване енергийни ниваводороден атом. Той също така установи, че има прости и ефективни начиниприблизително решение на проблеми, които не могат да бъдат решени точно, и че неговата теория за вълните на материята е математически напълно еквивалентна на алгебричната теория на Хайзенберг за наблюдаемите и във всички случаи води до едни и същи резултати. П. Дирак от университета в Кеймбридж показа, че теориите на Хайзенберг и Шрьодингер представляват само две от многото възможни форми на теория. Дирак скоро постигна неочаквано голям успех, като демонстрира как квантовата механика се обобщава в района на много високи скорости, т.е. приема форма, която отговаря на изискванията на теорията на относителността. Постепенно стана ясно, че има няколко релативистки вълнови уравнения, всяка от които в случай на ниски скорости може да бъде апроксимирана от уравнението на Шрьодингер и че тези уравнения описват частиците напълно различни видове. Например, частиците могат да имат различни "завъртания"; това е предвидено от теорията на Дирак. Освен това, според релативистка теория, всяка частица трябва да има съответна античастица с противоположен знак електрически заряд. По времето, когато работата на Дирак е публикувана, са били известни само три елементарни частици: фотон, електрон и протон. През 1932 г. е открита античастицата на електрона, позитронът. През следващите няколко десетилетия бяха открити много други античастици, повечето от които се оказаха удовлетворяващи уравнението на Дирак или неговите обобщения. Създадена през 1925-1928 г. от усилията на изключителни физици, квантовата механика не е претърпяла никакви съществени промени в своите основи оттогава.
По този начин CBE, както всяко друго вещество, се състои от отделни атоми, но за разлика от обикновената материя, атомите губят своята индивидуалност в него. Разграничаването на част от цялото става невъзможно и всъщност се получава конгломерат от атоми, притежаващи квантовите свойства на един отделен атом. Този гигантски квазиатом е 100 хиляди пъти по-голям от обикновено и дори по-голям от човешка клетка. Благодарение на своя размер, QBE дава на експериментаторите уникална възможност директно да тестват теоретичните принципи на квантовата механика на практика: в съвременната наука той играе същата роля, каквато са имали ябълките във времето на Нютон.
Първото вещество със свойствата на CBE е получено през 1938 г. съветски физик Петър Капицаи канадски Джон Алънохладен хелий-4 до температура под 2,2 келвина, в резултат на което този газ придоби свойствата на свръхтечна течност без абсолютно никакъв вискозитет. Свръхтечен хелийпроявява необичайни свойства: може да се излее нагоре от отворен контейнер (вижте снимката по-долу) или да се разпространи по вертикални стени. Свръхфлуидността в хелия възниква поради факта, че част от атомите на хелия, до 10 процента, се превръща в CBE.
В лазерната технологиясвойствата на BBE също се използват чрез синхронизиране на вълните от фотони, които по дефиниция са бозони. Процесът на производство на лазерен лъч се възползва от предразположението на бозоните да се концентрират в едно квантово състояние.
Друга област на приложение на CBE е свръхпроводници. Свръхпроводимостта се постига чрез нискотемпературна кондензация на електрони в двойки. Сдвоени електронни връзки се образуват само в определени вещества при определени условия, например в алуминий, охладен до 1,2 келвина. Единични електрони не могат да се използват за създаване на BBE, тъй като те са фермиони, несъвместими с вълнова функция, но когато се сдвоят, получените бозони веднага се кондензират в BBE. (Подобен процес на сдвояване и кондензация се случва в свръхтечния хелий-3, чиито атоми са фермиони).
И накрая, свойствата на CBE се наблюдават в екситон(от лат. excito - вълнувам). Това е квазичастица, която представлява свързано състояние на електрон и така наречената „дупка“ - липсващ електрон във възел на кристалната решетка на полупроводник. Електрон и дупка, генерирани от лазерен импулс, могат за кратко да се комбинират в такава двойка, която се държи като положително заредена частица. През 1993 г. физици наблюдават образуването на краткотраен газообразен кондензат от екситони в полупроводник на базата на меден оксид.
Въпреки това, феноменът на CBE в неговата чиста форма беше експериментално демонстриран сравнително наскоро. През 1995 г. група физици – настоящ Нобелови лауреати- произведоха този кондензат с помощта на атомни капани, използващи лазерни лъчи и магнитни полета, в които рубидиеви атоми бяха охладени до ултраниска температура от няколкостотин нанокелвина. След това групи от учени по света проведоха много експерименти с BEC, при които той беше изложен на лазерни лъчи, звукови вълни, магнитни полета и др. По-специално, когато лазерен лъч премина през газов кондензат, това беше постигнато забавяне на скоростта на светлинатадо скорост на пешеходец (метри в секунда). Получените резултати като цяло съответстват на очакваните според постулатите на квантовата механика. Така започна преходът от квантовата теория към квантовата практика.
В близко бъдеще можем да очакваме широко въвеждане на CBE в технологията за прецизно измерване, което ще направи възможно създаването на свръхпрецизни инструменти за насочване и ориентация, гравитометри и системи за определяне на позицията на самолети и космически кораби с точност до няколко сантиметра . Друга обещаваща област за внедряване на CBE е нанотехнологията, която обещава появата на нанороботи, способни да сглобяват молекули на всяко вещество от отделни атоми, и свръхмощни квантови компютри.
Основният инструмент за въвеждане на феномена CBE в технологичния прогрес очевидно ще бъде АТОМЕН ЛАЗЕР. Това устройство е материален аналог на оптичен лазер. Тоест, вместо лъч светлина се генерира насочен „лъч“ от материална материя. Такъв лъч е кохерентен, свободно движещ се поток от газов концентрат. Терминът „кохерентен“ в този случай означава, че всички атоми в лъча се движат квантово синхронно, тоест техните вълнови функции са взаимно подредени.
Първият атомен лазере създаден през 1997 г. от групата на Волфганг Кетерл и се захранва от гравитацията. Содовият концентрат беше облъчен с радиоимпулси, под въздействието на които някои от атомите промениха своя спин. Атомите с променен спин не бяха засегнати от капана и буквално изпаднаха от него. Всъщност такъв атомен лазер изглеждаше по-малко като лъч светлина, а повече като поток вода, течаща от крана.
През 1998 г. Теодор Хьонш от Мюнхенския университет демонстрира подобна система, която включва непрекъснат поток от рубидиеви атоми. Атомният лъч на рубидия беше милион пъти по-ярък от всички видове. Приблизително по същото време Уилям Филипс и Стивън Ролстън от Националния институт за стандарти и технологии най-накрая създадоха атомен лазер, чийто лъч можеше да бъде изпратен във всяка посока, не само надолу. В своя дизайн те са използвали оптични лазери, които избиват атоми от кондензата през въртящ се отвор на ръба на капана - така нареченият „кръг на смъртта“. Използвайки специфична последователност от лазерни импулси, внимателно синхронизирани с кръга на смъртта, учените произведоха кохерентен, интензивен и непрекъснат поток от атоми - аналогично на яркия лъч на оптичен лазер.
Понастоящем атомните лъчи вече се използват в редица научни и промишлени инструменти, по-специално в атомни часовници, във високопрецизни измервателни инструменти за определяне на фундаментални константи и в производството на компютърни чипове. Въпреки това може да се предположи, че широкото въвеждане на атомните лазери ще отнеме доста дълго време, съдейки по факта, че между изобретяването на оптичния лазер и широкото му използване в домакински уредиМинаха 30 години. Основният проблем при използването на атомен лазер досега е, че неговият лъч се разпространява само във вакуум.
Сред научно прогнозираните области на приложение на атомния лазер, които граничат с научната фантастика, са: атомна холография. Теоретично е възможно в бъдеще да се създадат атомни лазерни принтери и факсове, които ще позволят да се отпечатват и предават на големи разстояния не плоски изображения на обекти, а техни материални триизмерни модели.