Ngưng tụ Bose–Einstein (BEC) là một
trạng thái vật chất của khí
boson loãng bị làm lạnh đến
nhiệt độ rất gần
độ không tuyệt đối (hay rất gần giá trị 0 K hay -273,15 °C
[1]). Dưới những điều kiện này, một tỷ lệ lớn các boson tồn tại ở
trạng thái lượng tử thấp nhất, tại điểm mà các hiệu ứng
lượng tử trở lên rõ rệt ở
mức vĩ mô. Những hiệu ứng này được gọi là
hiện tượng lượng tử mức vĩ mô.Mặc dù các thí nghiệm về sau cho thấy có những tương tác phức tạp trong hệ, trạng thái vật chất này lần đầu tiên được
Satyendra Nath Bose và
Albert Einstein tiên đoán tồn tại trong năm 1924–25. Bose đầu tiên gửi một bài báo đến Einstein về
thống kê lượng tử của lượng tử ánh sáng (ngày nay gọi là
photon). Einstein đã rất ấn tượng về bài viết này, ông dịch nó từ tiếng Anh sang tiếng Đức và gửi bài viết của Bose đến tạp chí
Zeitschrift für Physik và được công bố bởi tạp chí này. (Bản nháp của Einstein, lúc đầu nghĩ là có thể bị mất, đã được tìm thấy trong thư viện của
Đại học Leiden vào năm 2005.
[2]). Einstein sau đó mở rộng ý tưởng của Bose cho hệ hạt vật chất trong hai bài báo sau đó.
[3] Những nỗ lực của Bose và Einstein cho kết quả về khái niệm
khí Bose trong khuôn khổ lý thuyết
thống kê Bose–Einstein, miêu tả phân bố thống kê của những
hạt đồng nhất với
spin nguyên, mà sau này
Paul Dirac gọi là các
boson. Các hạt boson, bao gồm photon cũng như các nguyên tử
heli-4 (4He), được phép tồn tại ở cùng trạng thái lượng tử như nhau. Einstein chứng minh rằng khi làm lạnh các nguyên tử boson đến nhiệt độ rất thấp thì hệ này tích tụ lại (hay "ngưng tụ") trong
trạng thái lượng tử thấp nhất có thể, và tạo nên trạng thái mới của vật chất.Năm 1938
Fritz London đề xuất trạng thái BEC như là một cơ chế giải thích cho tính
siêu chảy của 4He cũng như tính
siêu dẫn nhiệt độ thấp ở một số vật liệu.
[4][5]Năm 1995 khí ngưng tụ đầu tiên đã được tạo ra bởi nhóm của
Eric Cornell và
Carl Wieman ở phòng thí nghiệm
JILA thuộc
Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia (NIST) tại
Đại học Colorado ở Boulder, khi họ làm lạnh khí nguyên tử
Rubidi đến nhiệt độ 170
nanokelvin (nK)
[6] (1,7 x 10−7 K). Cũng trong thời gian này,
Wolfgang Ketterle ở
Học viện Công nghệ Massachusetts tạo ra được ngưng tụ Bose-Einstein đối với nguyên tử
Natri và duy trì được hệ 2000 nguyên tử này trong thời gian lâu cho phép nghiên cứu những tính chất của hệ này. Thành tựu này mà Cornell, Wieman và Ketterle được nhận
Giải Nobel Vật lý năm 2001.
[7] Tháng 11 năm 2010 trạng thái BEC của photon đã được quan sát thấy.
[8] Năm 2012, các nhà vật lý đã phát triển lý thuyết BEC cho hệ photon.
[9][10]Sự chuyển pha dẫn đến ngưng tụ Bose Einstein xuất hiện ở dưới nhiệt độ giới hạn, đối với khí phân bố đều 3 chiều của hệ hạt không tương tác mà không có bậc tự do nội tại trong nó, được cho bởi công thức:với: