• Φερμιόνια και Μποζόνια
• Δημιουργία συμπύκνωσης κατά Bose-Einstein
• Η Κβαντική περιπλοκή απλώνεται στην συμπύκνωση Bose
• Σύγχρονα πειράματα για το συσσωμάτωμα Bose-Εinstein

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

Ο μεγάλος Φυσικός W.Pauli

Μποζόνια και Φερμιόνια, συμπεριφέρονται με πολύ διαφορετικούς τρόπους που εξηγήθηκαν από την πρώτη απαγορευτική αρχή του Pauli. O Wolfgang Pauli διατύπωσε την ομώνυμη αρχή του στα 1924, που αναφέρει ότι δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να συνυπάρξουν στο ίδιο άτομο με τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς, ή με άλλους όρους δύο Φερμιόνια δεν μπορούν να βρεθούν στην ίδια ενεργειακή κατάσταση. Έτσι ή αρχή αυτή δίνει στα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια ένα είδος ταυτότητας, ένα χώρο που δεν μπορεί να καταληφθεί από κανένα άλλο σωματίδιο. Η αρχή αυτή έκανε πλέον τη διάκριση Φυσικής και Χημείας δυσδιάκριτη.

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.

Η απαγορευτική αρχή του Pauli είναι η αιτία της ύπαρξης των ατόμων. Δίχως αυτή, τα φερμιόνια δεν θα ήταν ικανά να συσσωρευτούν σε τέτοιες σταθερές καταστάσεις. Το Φερμιονικό αέριο δεν κρατά μεγάλες εκπλήξεις αλλά οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα είναι γρήγορα ικανοί να το ψύξουν ακόμη χαμηλώτερα, και  να το συμπυκνώσουν.
Λένε ότι μιά Φερμιονική συμπύκνωση θα μπορούσε να έχει παράξενες ιδιότητες. Έτσι η ανάσχεση της βαρυτικής κατάρρευσης των νεκρών αστέρων, με μικρές μάζες, οφείλεται στην αρχή του Pauli. Γιατί αναγκάζει τα ηλεκτρόνια του υπερ-συμπιεσμένου από τις βαρυτικές δυνάμεις αστέρα να εποικίζουν ολοένα και ανώτερες ενεργειακές στάθμες και να αποκτούν έτσι υψηλή κινητική ενέργεια ώστε να "συγκρατήσει" τη βαρύτητα.

Είναι γνωστό ότι τα αέρια όταν ψύχονται αρχικά υγροποιοιούνται και στη συνέχεια στερεοποιούνται. Όταν όμως αραιό αέριο μποζονίων (10^-11 Torr) ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από 1μK), τότε δημιουργείται η συμπύκνωση Bose - Einstein που είναι μιά άλλη φάση της ύλης.
Στην φάση αυτή, το μήκος κύματος κατά de Broglie των ατόμων λ=^h/_mu, λόγω της μικρής ταχύτητας των ατόμων γίνεται πάρα πολύ μικρό που  υπερβαίνει το ενδοατομικό διάστημα. Έτσι έχουν όλα τα άτομα ενιαία κυματοσυνάρτηση.
Επειδή τα άτομα είναι μποζόνια - που είναι εάν έχουν "spin" ίσο με 0, h/2p, 2(h/2p), 3(h/2p) κλπ, όπου h είναι η σταθερά του Planck  - έχουν όλα καταρεύσει στην ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό δίνει στη συμπύκνωση πολλές ασυνήθιστες κβαντικές ιδιότητες.
Τέτοια παραδείγματα συμπυκνώσεων που τα άτομα έχουν ενιαία κυματοσυνάρτηση είναι στα ζεύγη ατόμων Cooper της υπερρευστότητας και στα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper της υπεραγωγιμότητας. Για πρώτη φορά συσσωμάτωμα Bose-Einstein παρατηρήθηκε σε άτομα ρουβιδίου. Αφού με μικρή θέρμανση Rb εξαερωθούν μερικά άτομα  του, στη συνέχεια επιβραδύνονται με την εφαρμογή δέσμης laser αντίθετης διεύθυνσης. Τα άτομα τότε αποκτούν ταχύτητες μερικών cm/s που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία μερικών μΚ.
Αν συγχρόνως παγιδεύσουμε τα άτομα του Rb σε μαγνητικό πεδίο τότε ακινητοποιούνται ακόμη περισσότερο (πρακτικά ακίνητα) και η θερμοκρασία ελαττώνεται σε 200nK.! Το πρώτο λοιπόν συσσωμάτομα είχε διαστάσεις 10μm και αποτελούνταν από 2000 άτομα που επέζησαν για 15 sec.
Έκτοτε έγινε μελέτη και σε λίθιο. Σε θερμοκρασία 400 nK έγινε συμπύκνωση 10⁵ ατόμων λιθίου σε <<σωμάτιο>> διαστάσεων μερικών μm.
Ανάλογο φαινόμενο συμπυκνώσεως παρουσιάστηκε στις πυρηνικές αντιδράσεις κατά τις συγκρούσεις πρωτονίων με αντιπρωτόνια. Κατά την αντίδραση παράγονται δύο θετικά και δύο αρνητικά πιόνια, ως και μερικά ουδέτερα . Σ΄άνα διεθνές πείραμα, στο οποίο, μεταξύ των περίπου εκατό ερευνητών, συμμετέχουν και πολλοί Έλληνες παρατηρήθηκε περίσσεια ζευγών πιονίων του ιδίου προσήμου, η οποία οφείλεται σε συμπύκνωση Bose-Einstein

Ο Zoller και οι συνεργάτες τους δείχνουν θεωρητικώς πως ένας ειδικά προετοιμασμένος παλμός laser θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συσχετίσει όλα τα άτομα σε μιά συμπύκνωση. Ο παλμός έχει την ιδιότητα πως η επιφάνεια του είναι p/2. Ο μέγιστος αριθμός σωματιδίων που συσχετίσθηκαν είναι τέσσερα. Πάντως το τημ των Πανεπιστημίων  Innsbruck-Aarhus εξηγεί πως η τεχνική τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τελικά για να συσχετίσει οποιοδήποτε αριθμό ατόμων.

Τεχνικές ψύξης

Τα τελευταία χρόνια, ένας συνδυασμός ψυχρών laser, μαγνητικών παγίδων και ψύξη με εξαέρωση χρησιμοποιούνται για να παραχθούν θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο 300 nK σε ένα δείγμα 3x10⁴ ατόμων. Σε αυτές τις θερμοκρασίες όλα τα άτομα συσσωρεύονται στην βασική κατάσταση της μαγνητικής παγίδας, αποδεικνύοντας το φαινόμενο που είχε προβλέψει ο Einstein το 1925.
Το laser ψύχει τα άτομα μέχρι να έχουν θερμοκρασία μικρότερη από 100μΚ. Στην θερμοκρασία όμως αυτή δεν έχουμε συμπύκνωση Bose-Einstein. Γιατί, το φωτόνιο με την έστω και ελάχιστη ώθηση του αναγκάζει τα άτομα να κινούνται και να αποκτούν θερμοκρασίες μακριά από την συμπύκνωση. Οι φυσικοί λοιπόν Cornell και ο Wieman χρησιμοποίησαν την "ψύξη με εξαέρωση"
Ανακάλυψαν λοιπόν τη μαγνητική παγίδα. Ένα δοχείο στο οποίο απέτρεπαν τη σύγκρουση των ατόμων με τα θερμά τοιχώματα, χωρίς να χρησιμοποιούν Laser .

Στην Οξφόρδη έγινε ένα πείραμα με αυτή τη συσκευή, για άτομα Rb.

Σε αυτό χρησιμοποίησαν ένα ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιδρά άμεσα στα ίδια τα άτομα, καθώς συμπεριφέρονται σαν μαγνητικά δίπολα. Αν εφαρμοστεί το κατάλληλο μαγνητικό πεδίο, θα ασκήσει δυνάμεις που θα περιορίσουν τα άτομα-δίπολα στο κέντρο του κλωβού, χωρίς την ύπαρξη φωτός. 

Δείτε και το σχετικό άρθρο

• To Φερμιονικό αέριο