Бозе - Эйнштейна конденсация

БОЗЕ - ЭЙНШТЕЙНА КОНДЕНСАЦИЯ (бозе-конденсация), квантовое явление, состоящее в том, что в системе из большого числа частиц, подчиняющихся Бозе - Эйнштейна статистике (бозе-газ или бозе-жидкость), при температурах ниже вырождения температуры конечная доля всех частиц системы оказывается в состояниях с нулевым импульсом. Термин «Бозе-Эйнштейна конденсация» возник по аналогии с понятием конденсации газа в жидкость, хотя эти явления совершенно различны, так как Бозе-Эйнштейна конденсация происходит в пространстве импульсов, а распределение частиц в координатном пространстве не меняется. Теория Бозе-Эйнштейна конденсации построена А. Эйнштейном в 1925 году и развита Ф. Лондоном в 1938 году.

Поскольку Бозе-Эйнштейна конденсация происходит даже в идеальном бозе-газе, её причиной являются не взаимодействия между частицами, а свойства симметрии волновой функции, описывающей систему частиц. Для идеального бозе-газа из Бозе — Эйнштейна распределения по импульсам р следует, что в нижнем энергетическом состоянии с р = 0 при температуре Т находится N₀= [ехp(-μ/kT) - 1]^-1 частиц (μ - химический потенциал, k - постоянная Больцмана). Ниже температуры вырождения Т₀ в конденсате находится N₀ = N[1 - (Т/Т0)^3/2] частиц (где N - полное число частиц), а остальные подчиняются распределению Бозе - Эйнштейна с μ = 0. При Т = 0 все частицы идеального бозе-газа находятся в конденсате.

В неидеальном газе явление Бозе-Эйнштейна конденсации сохраняется, но межчастичное взаимодействие существенно снижает число частиц в конденсате, так что даже при Т = 0 значительное число частиц остаётся в состояниях с ненулевыми импульсами.

Для подавляющего большинства газов температура вырождения очень мала, и вещество переходит в твёрдое состояние гораздо раньше, чем может наступить Бозе-Эйнштейна конденсация. Исключение составляет гелий, который в нормальных условиях при Т = 4,2 К переходит в жидкое состояние и остаётся жидкостью вплоть до самых близких к абсолютному нулю температур.

Сверхпроводимость можно рассматривать как следствие Бозе-Эйнштейна конденсации коррелированных куперовских пар электронов с противоположно направленными импульсами и спинами.

В 1990-х годах Бозе-Эйнштейна конденсация наблюдалась в опытах с парами щелочных металлов (лития, цезия и т.п.), атомы которых представляют собой бозоны (Э. Корнелл, В. Кеттерле, К. Уайман; Нобелевская премия, 2001), а в 2003 году она осуществлена на «двойках» фермионов, которые посредством воздействия внешнего магнитного поля образуют бозон.

Лит.: Хуанг К. Статистическая механика. М., 1966; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Статистическая физика. 2-е изд. М., 2000.