Az úgynevezett Bose-Einstein-kondenzációt (BEK) az anyag ötödik állapotának is nevezik a négy másik stabil halmazállapot (szilárd, folyékony, gáz és plazmaállapot) mellett, de a Bose-Einstein-kondenzátummal jóval ritkábban lehet találkozni, mint a többivel, mivel csak egészen extrém körülmények között jön, illetve hozható létre. A BEK ugyanis akkor képződik, mikor a bozonokból álló, híg gáz állapotú anyagot az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékletre hűtik. A nevét két elismert fizikusról, Albert Einsteinről és Satyendra Nath Bose-ról kapta, akik az 1920-as években kezdtek foglalkozni a jelenséggel, de ekkor még csak elméleti leírás született róla.

Az állapot különlegességét az adja, hogy a gáz atomjai ultrahideg hőmérsékleten teljesen másként viselkednek, mint a szokásosabb, magasabb hőmérsékleten: az addig elkülönülő atomok látszólag egyetlen szuperatommá szerveződnek, egyetlen entitásként kezdenek működni. A BEK-ban a bozonok a legalacsonyabb kvantumállapotot veszik fel és ezen a legalacsonyabb kvantumállapoton makroszkopikus kvantumjelenségek figyelhetőek meg a híg, hideg gázban. Magát a hideg gázt úgy állítják elő a Wigner Fizikai Kutatóközpont leírása szerint, hogy a normális légköri sűrűség százezred részének sűrűségéhez közeli sűrűségű gázt lehűtik. A kondenzátummal kapcsolatban a Wigner FK kutatói 2018-ban végeztek érdekes kísérletet: ekkor sikerült összefonódott állapotba hozni a Bose-Einstein-kondenzációt alkotó atomoknak két elkülönített halmazát.

"A bozonok meg tudják csinálni, hogy ugyanazon a helyen vannak: mintha egymáson lennének - olyan tulajdonságokat mutatnak, mintha két testet egyszerre ugyanabba a térrészébe tennénk.

Az összes atom ilyenkor egy pozícióban, illetve ugyanabban az állapotban van." - magyarázta a BEK jellemzőit Tóth Géza, a kutatás résztvevője.

A Bose-Einstein-kondenzátum ritkán és rövid ideig megfigyelhető jelenségét a kísérletekben eddig mindig atomok felhasználásával hozták létre, főként rubídium (87Rb) atomokkal alkották meg az egzotikus anyagi állapotot, mivel ennek az alkálifémek csoportjába tartozó anyagnak az atomjaiból álló gázfelhő mágneses térbe helyezve a megfelelő módon rendeződik a spin (perdület) szempontjából. Most azonban a Columbia Egyetem kutatói elkészítették a kondenzátum molekuláris változatát, vagyis első ízben alkottak olyan BEK állapotot, amelynek nem atomok, hanem molekulák az összetevői. A nátrium-cézium molekulákat ultraalacsony hőmérsékletre, mínusz 273,14 Celsius-fokra hűtötték le, ami nem volt egyszerű feladat, a folyamatot csak mikrohullámú sugárzással tudták megvalósítani. A mikrohullámok védelmet nyújtottak a molekuláknak, egyfajta védőburkot alkotva körülöttük, ami megakadályozta az ütközésüket és elejét vette, hogy nagyobb molekulák alakuljanak ki belőlük, amelyek aztán kiváltak volna a mintából. A mikrohullámú "kezelés" után egy második mikrohullámú teret hoztak létre, így a hűtés még hatékonyabbá vált.

A nátrium-cézium molekulákból felépülő Bose-Einstein-kondenzáció előnye az atomi kondenzátumhoz képest, hogy jóval hosszabb ideig tartható fenn az állapota, néhány ezredmásodperc helyett akár két másodpercig is stabil marad az anyag. Ez lehetőséget ad az alaposabb megfigyelések elvégzésére és olyan felfedezésekre, amelyre eddig kevesebb alkalom kínálkozott. Az újfajta Bose-Einstein-kondenzáció segítségével a fizikusok a szuperfolyékonyság és más kvantumos jelenségek vizsgálatát tervezik, köztük mesterséges kristály készítését, ami kvantum szimulátorként működhet.

(Fotó: Myles Marshall/Sebastian Will/ Will Lab/ Columbia University)