Mechanizm kondensacji Bosego-Einsteina, choć potoczne określenia mogą nasuwać takie skojarzenie, nie jest związany ze zmniejszaniem się odległości między atomami. Aby lepiej zrozumieć, na czym rzecz polega, odwołajmy się do wizualizacji przygotowanej przez francuskie instytucje naukowe.

Stan podstawowy

Jeśli zachowanie badanych przez nas atomów opisuje statystyka Bosego-Einsteina, to wraz ze spadkiem temperatury będą one dążyć do tego samego, najniższego stanu energetycznego. Równocześnie, wraz ze spadkiem temperatury maleje ich prędkość (a mówiąc precyzyjniej: w fizyce ultrazimnej to właśnie poprzez prędkość określamy temperaturę). To właśnie ukazuje słynna okładka czasopisma „Science” z 1995 roku: nie jest to rozkład przestrzenny atomów, lecz ich prędkości.

Opis falowy

Nie jest to jednak koniec historii. Zgodnie ze wzorem de Broglie’a, długość fali materii opisującej dany obiekt równa jest $\lambda=\frac{h}{mv}$, gdzie $h$ jest stałą Plancka, $m$ masą, zaś $v$ prędkością.

Oznacza to, że wraz z malejącą prędkością obiektu (czyli spadkiem temperatury układu) będziemy oczekiwać stopniowego zwiększania się długości opisującej go fali. Jak przedstawiono na ww. wizualizacji, kondensat Bosego-Einsteina powstanie, gdy opis falowy atomów stanie się dominujący; standardowo przyjmuje się, że takim warunkiem jest uzyskanie długości fali większej niż średnia odległość między atomami.

Konkretne dane

Temperatura umożliwiająca uzyskanie kondensatu zależna jest od gęstości atomów w danym obszarze oraz ich masy. W przypadku pierwszych realizacji eksperymentalnych (1995), nagrodzonych później nagrodą Nobla, wynosiły one:

• $^{87}\mathrm{Rb:}\ 170 \ \mathrm{nK,}\  2.5  \cdot 10^{12}\ \mathrm{cm}^{-3}$
• $^{23}\mathrm{Na:}\ 2 \ \mu\mathrm{K,}\ 10^{14} \mathrm{cm}^{-3}$

Jak dane te odnoszą się do warunków standardowych? Szybkie obliczenia (np. korzystające z równania Clapeyrona) pozwalają wyznaczyć gęstość liczbową powietrza na ok. $10^{19}\ \mathrm{cm}^{-3}$. Oznacza to, że aby mówić o próbach uzyskania kondensatu, układ eksperymentalny musi być zdolny do utrzymania bardzo dobrej jakości… próżni.

Jeśli wynik ten spotyka się ze zdziwieniem, warto przypomnieć sobie, że do tej pory mówiliśmy o pojedynczych atomach lub ich gazie oraz o stopniowym zmniejszaniu ich temperatury. W przypadku, w którym gęstości próbek nie byłyby tak niewielkie, obserwowalibyśmy przemiany znane z codzienności — skraplanie się gazu, a następnie przejście do stanu stałego.