пытаясь понять конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК)

Прежде всего, детально изученные сегодня системы БЭК не предполагают образования каких-либо связей между атомами. Конденсация Бозе-Эйнштейна — это квантово-статистическое явление, и она может произойти даже с невзаимодействующими частицами (хотя с технической точки зрения это невозможно организовать, но вы можете создать конденсат, а затем манипулировать взаимодействиями, чтобы они фактически не взаимодействовали, и частицы остаются конденсатом).

Школьная версия того, что происходит при БЭК-переходе, такова: частицы с целым внутренним угловым моментом импульса являются «бозонами», и многие из них могут занимать одно и то же энергетическое состояние. Это отличается от частиц с полуцелым спином, таких как электроны, называемые «фермионами», которые не могут находиться в точно таком же квантовом состоянии (эта особенность электронов объясняет всю химию, так что это хорошо). Когда мы говорим о замкнутом газе атомов, квантовая механика говорит нам, что мы должны описывать его в терминах дискретных энергетических состояний, разнесенных на характеристическую энергию в зависимости от деталей удержания. Из-за этого два класса частиц ведут себя очень по-разному в больших количествах.

Состояние с наименьшей энергией для газа фермионов определяется числом частиц в газе — каждая дополнительная частица заполняет любое энергетическое состояние, в котором она находится, поэтому последняя добавленная частица входит в систему с гораздо более высокой энергией, чем первая. добавлена ​​частица. По этой причине электроны внутри куска металла имеют энергию, сравнимую с горячим газом на Солнце, потому что их так много, что последний электрон в конечном итоге движется очень быстро.

С другой стороны, состояние с наименьшей энергией для газа бозонов — это просто состояние с наименьшей энергией, доступное для них в любой системе, которая их ограничивает. Все бозоны в газе могут счастливо собраться в одно квантовое состояние, оставив вам очень низкую энергию.

Оказывается, когда вы охлаждаете газ бозонов, вы в конце концов достигнете точки, в которой газ внезапно «сконденсируется» в состояние, в котором почти все частицы находятся в одном состоянии, обычно с самой низкой доступной энергией. Это происходит с материальными частицами, потому что волнообразный характер бозонов становится все более и более выраженным по мере понижения температуры. Связанная с ними длина волны, которая при комнатной температуре во много раз меньше радиуса электронных орбит, со временем становится сравнимой с расстоянием между частицами в газе. Когда это происходит, волны, связанные с разными частицами, начинают перекрываться, и в какой-то момент система «понимает», что в состоянии с наименьшей энергией все частицы должны занимать один энергетический уровень.

Однако этот переход является чисто квантовым эффектом и не имеет ничего общего с химической связью. На самом деле, строго говоря, разбавленные пары щелочных металлов, которые являются рабочей лошадкой для большинства экспериментов по БЭК, на самом деле находятся в метастабильном состоянии — при температурах этих паров более плотный газ был бы твердым. Однако они образуют БЭК, потому что плотность этих газов примерно в миллион раз меньше плотности воздуха. Атомы слишком разбавлены, чтобы затвердеть, но достаточно плотны, чтобы ощущать присутствие друг друга и переходить в одно и то же энергетическое состояние.

Основополагающая физика подробно описана в большинстве текстов по статистической механике, хотя часто она рассматривается очень кратко и абстрактно. В «Новой физике для двадцать первого века » под редакцией Гордона Фрейзера есть достойные и читабельные описания лежащей в основе физики , особенно статьи Билла Филлипса и Криса Фута, а также Субира Сачдева.

Каждая частица может быть полностью описана ее квантово-механическим состоянием (1), которое представляет собой набор свойств, отличающих одну частицу от другой. Точнее, квантово-механическое состояние представляет собой определенную комбинацию значений этих свойств. (т.е. если для двух частиц все эти свойства совпадают, они находятся в одном и том же состоянии). Для элементарных частиц (т.е. электронов) состояние — единственный способ отличить частицы.

С каждым квантово-механическим состоянием связана энергия, которую можно вычислить, если мы знаем состояние. Состояние в системе, имеющее наименьшую энергию, известно как основное состояние .

Когда значительное количество частиц сосуществует в основном состоянии, мы имеем конденсат Бозе-Эйнштейна .

Для существования основного состояния обычно требуются низкие температуры, поскольку температура сообщает частицам энергию и, таким образом, «выталкивает» их из основного состояния в состояние с более высокой связанной энергией.

Кратко взглянув на страницу Википедии по этой теме , кажется, что аналогия с теорией сети касается «частиц» системы, которые переходят от наличия большого диапазона свойств к некоторому числу, обладающему одинаковыми свойствами, то есть сгущаются в одно «состояние». '

В качестве примера приведена пробка. До того, как автомобили попали в затор, у них был диапазон скоростей, после того, как автомобили попали в затор, у них была нулевая скорость.

(1) К сожалению, слово « состояние » имеет два разных значения: квантово-механическое состояние , описанное выше, и то, которое используется вместо фазы , например , твердое тело, жидкость, газ и т. д.

Я думаю, что вы задаете конкретные частные вопросы тому, что я знаю только как общую концепцию конденсата в квантовой физике. Другие ответы, которые я видел здесь, ища более подробную информацию, касаются частных случаев общей концепции конденсата. Насколько мне известно, концепция БЭК относится к конкретным уравнениям функции между силой поля или интенсивностью поля и соответствующей задействованной энергией. Есть несколько, по крайней мере пара A) и B) ниже критических вещей, которые следует учитывать здесь, чтобы это был конденсат:

A) Значения энергии могут быть только дискретными, квантованными, целыми кратными o, +1, -1, +2, -2 и т. д. значения квантового «строительного блока», И: B) Вы можете добавить или убрать « обитатели" конденсата без разницы. Мое понимание «оккупантов» — это частицы в общем смысле количественной энергии, связанной с колебаниями напряженности поля. Некоторые конкретные примеры были упомянуты в других ответах. Я бы добавил пример сверхпроводимости с электронами как частицами и с энергией в электрическом поле. Другими полезными связанными понятиями являются тот факт, что энергетические волновые функции в многомерном поле могут определять определенные свойства частиц и взаимодействующие с ними поведения, такие как вращение, угловой момент, заряд — а также заряд, отличный от электрического, — свойства, которые для конденсата имеют какое-то отношение к самопроизвольному нарушению симметрии или хотя бы математическому примирению во взаимодействиях с частицами в/из конденсата. Также я думаю, что мое утверждение B) выше фактически эквивалентно наличию статистически большого числа частиц в самом низком допустимом квантовом состоянии. Как это связано с принципом исключения Паули или нет, может быть другой темой. Из этой общей математической концепции могут быть получены конкретные материальные приложения, такие как случай ваших сложных сетей, а также можно объяснить поведение материи, энергии и силы, например разницу между фермионами и бозонами, так хорошо описанную здесь Чадом Орзелем. Как он также заявил, применительно к элементарным частицам это не имеет ничего общего с химическими связями, а скорее представляет собой математическую модель того, как материя, сила, масса, энергия, пространство и время ведут себя на мельчайшем уровне, который мы пока можем понять. Многое из этого было доказано экспериментально, но до сих пор не принято решение о некоторых аспектах, которые в настоящее время теоретизируются.