Конденсат Бозе-Ейнштейна (КБЕ) на основі фотонів - це дуже "просунутий" варіант КБЕ, і дуже довго вважалося, що його не можна отримати в принципі. Але перш ніж розповісти про нього, варто пояснити, а що взагалі таке конденсат Бозе-Ейнштейна. Батьківщиною цього поняття може вважатися Індія - саме там більшу частину часу жив і працював чоловік, вперше вказав на можливість існування невідомого раніше стану матерії. Цю людину звали Шатьендранат Бозе, і він був одним із батьків-засновників квантової механіки.
Належність частки до бозонів визначається по її спину - власним моменту імпульсу елементарних частинок (іноді поняття спина визначають як обертання частинки навколо власної осі, але таке уявлення занадто спрощує ситуацію). Спін бозона завжди цілий - тобто виражається цілим числом. У іншому різновиді елементарних частинок - ферміонів - спін напівцілий.
Бозони і ферміони відрізняються один від одного не тільки значенням спина - ці частинки несхожі за цілою низкою фундаментальних властивостей. Зокрема, бозони можуть не підкорятися так званим принципом, або забороні, Паулі, який постулює, що дві елементарні частинки не можуть перебувати в одному і тому ж квантовому стані. Квантові стани відрізняються один від одного по енергіях, і при низьких температурах ферміони (які строго дотримуються заборони Паулі) по черзі заповнюють послідовні стану. Першими займаються стану з найменшою енергією (самі "ненапряжний" для частинок), а останніми - з найвищою енергією. Найбільш наочно все це властивість фермионов вибудовуватися в лінійку по квантовим станам помітно при низьких температурах, коли поведінка системи не маскується за рахунок температурних флуктуацій.
Бозони при низьких температурах ведуть себе інакше - вони не обмежені забороною Паулі і тому прагнуть по можливості зайняти найзручніші місця, тобто квантові рівні з найменшою енергією. В результаті при охолодженні бозонів відбувається наступне: вони починають рухатися дуже повільно - зі швидкостями порядку декількох міліметрів в секунду, дуже тісно "туляться" один до одного, "зіскакують" в один і той же квантовий стан і врешті-решт починають вести себе скоординовано - так, як поводилася б одна гігантська квантова частинка.
Таким чином, теорія КБЕ була, загалом і в цілому, розроблена в першій третині XX століття, але отримати речовину в цьому стані вченим вдалося тільки через 70 років. Причина затримки проста - для того щоб бозони почали вести себе як єдина квантова система, їх треба охолодити до температури, що відрізняється від абсолютного нуля (мінус 273,15 градуса Цельсія) на кілька мільйонних часток градуса. Довгий час фізики просто не вміли домагатися таких низьких температур. Друга складність полягала в тому, що багато речовин при наближенні до абсолютного нуля починають вести себе як рідини, а для отримання КБЕ необхідно, щоб вони залишалися "газами" (слово "газ" взято в лапки, так як при наднизьких температурах частки речовини втрачають рухливість - один з основних ознак газу).
За допомогою лазерів атоми охолоджуються так: атом поглинає рухомі йому назустріч фотони і потім випускає випромінювання. При цьому відбувається поступове уповільнення атома, а температура сукупності атомів, відповідно, знижується. Однак одного лазерного охолодження недостатньо для досягнення температур, при яких можливий перехід в стан КБЕ. "Прибрати" зайві частки градуса можна, якщо вилучити з суміші найшвидші атоми (за таким же принципом охолоджується чашка чаю, залишена на столі).
Відповідно до принципу квантово-хвильового дуалізму, об'єкти мікросвіту можуть вести себе і як частки і як хвилі. Щоб речовина перейшло в стан КБЕ, його атоми повинні зблизитися на відстань, порівнянне з їх довжиною хвилі. Тоді хвилі починають взаємодіяти, і поведінка окремих частинок стає скоординованим.
Зокрема, фахівці вважали, що кванти світла будуть поглинатися стінками експериментальної камери і "вислизати" від експериментаторів. Для того щоб зловити, охолодити і утримати достатню для отримання і вивчення КБЕ кількість фотонів, вчені з університету Бонна використовували два вигнутих дзеркала, відстань між якими становила близько 1,5 мікрометрів - це можна порівняти з довжиною хвилі фотонів, що знаходяться в квантовому стані з мінімальною енергією .
Метод лазерного охолоджування для фотонів непридатний - вони занадто слабо взаємодіють один з одним, тому дослідники охолоджували їх за допомогою спеціального барвника, який поглинав і випускав кванти світла. Фотони стикалися з його молекулами і поступово їх температура вирівнювався з температурою барвника. На відміну від атомів, для отримання КБЕ на основі фотонів їх не потрібно охолоджувати до нуля кельвінів - перехід відбувається вже при кімнатній температурі. Самі фотони дослідники "закачували" в щілину за допомогою лазера. Перехід в стан КБЕ відбувався, коли число фотонів наближалося до 60 тисячам.
У читачів може виникнути запитання, а навіщо вчені возяться з цим незрозумілим КБЕ. Тобто чисто фундаментальний інтерес фізиків "помацати" і безпосередньо побачити прояв закономірностей квантової механіки зрозумілий, але чи є у "п'ятого стану" яке-небудь корисне практичне застосування? Як і у випадку з іншими фізичними відкриттями, таке питання є передчасним - навряд чи вчені, які досліджували властивості радіоактивного розпаду або електронів, могли передбачити, наскільки масштабними виявляться наслідки їх робіт.
По-перше, рано чи пізно інженери придумують нові прилади, в яких досліджувані об'єкти використовуються безпосередньо і які не могли бути винайдені до того, як фізики описали властивості цих об'єктів. А по-друге, дослідження нових явищ розширює уявлення людей про фізику і дозволяє в майбутньому відкривати і пояснювати інші невідомі раніше явища, які ляжуть в основу нових приладів і технологій, і так далі.
На даний момент одним з найбільш очевидних практичних застосувань КБЕ вважається створення на його основі надточних детекторів - наприклад, детекторів магнітного або гравітаційного полів. Більш детальні прогнози можна буде робити в міру подальшого вивчення властивостей КБЕ, яке просувається дуже-дуже швидко.