Bose Einstein kondensat

Vi forklarer hva som er Bose-Einstein kondensat, dens opprinnelse, egenskaper, hvordan det oppnås og dens anvendelser

Figur 1.- I Bose Einsteins kondensat opprettholdes alle bosoner med lav temperatur i den laveste energitilstanden. Kilde: f. Zapata

Hva er Bose Einsteins kondensat?

Bose Einsteins kondensat (CBE) er en tilstand av aggregering av materie, så vel som de vanlige tilstandene: gassformig, flytende og fast stoff, men som foregår ved ekstremt lave temperaturer, veldig nær absolutt null.

Den består av partikler som kalles bosoner, som ved disse temperaturene er lokalisert i kvantetilstanden med lavere energi, kalt Grunnleggende stat. Albert Einstein spådde denne omstendigheten i 1924, etter å ha lest verkene som ble sendt av den hinduistiske fysikeren Satyendra Bose om statistikken til Photons.

Det er ikke lett å oppnå i laboratoriet de nødvendige temperaturene for dannelsen av Bose-Einstein-kondensatet, så vi måtte vente til 1995 for å ha den nødvendige teknologien.

Det året de amerikanske fysikerne Eric Cornell og Carl Wieman (University of Colorado) og deretter den tyske fysikeren Wolfgang Ketterle (MIT), klarte å observere det første kondensatet til Bose-Einstein. Colorado forskere brukte Rubidio-87, mens Ketterle oppnådde det gjennom en ekstremt fortynnet gass av natriumatomer.

Takket være disse eksperimentene, som åpnet dørene for nye forskningsfelt i form av emnet, mottok Ketterle, Cornell og Wieman Nobelprisen i 2001.

Og det er at de svært lave temperaturene gjør det mulig at atomene til en gass med visse egenskaper blir utført en slik ordentlig tilstand, at de klarer å skaffe seg alle de samme reduserte energene og mengden av bevegelse, noe som ikke skjer i vanlig sak.

Bose-Einstein kondensategenskaper

La oss se på hovedegenskapene til Bose-Einstein-kondensatet:

• Bose-Einstein kondensat produseres i gasser som består av veldig fortynnede bosoniske atomer.
• Atomene i kondensatet forblir i samme kvantetilstand: den grunnleggende eller lavere energitilstanden.
• Ekstremt lave temperaturer er påkrevd, bare noe nano-kelvin over den absolutte null. Jo lavere temperatur, bølgeoppførselen til partiklene er stadig mer tydelig.
• I prinsippet eksisterer ikke materie i Bose Einstein kondensattilstand i naturen, siden det hittil ikke er påvist temperaturer under 3 K.
• Noen CBE har superledelse og superfluiditet, det vil si mangel på motstand mot passering av strømmen, så vel som viskositet.
• Atomene i kondensatet, som alle i samme kvantetilstand, presenterer ensartethet i sine egenskaper.

Det kan tjene deg: Unidimensjonale bølger: Matematisk uttrykk og eksempler

Opprinnelsen til Bose-Einstein kondensat

Når du har en gass låst i en beholder, holder de vanligvis partiklene som komponerer den nok avstand fra hverandre, og samhandler veldig lite, bortsett fra sporadiske kollisjoner mellom dem og med veggene i beholderen. Derfra henter den velkjente ideelle gassmodellen.

Partiklene er imidlertid i en permanent termisk omrøring, og temperaturen er den avgjørende parameteren som definerer hastigheten: ved en høyere temperatur, raskere bevegelse.

Og mens hastigheten på hver partikkel kan variere, forblir gjennomsnittets gjennomsnittlige hastighet konstant ved en gitt temperatur.

Fermioner og bosoner

Følgende viktige faktum er at materie er sammensatt av to typer partikler: fermioner og bosoner, differensiert med spinn (iboende vinkelmomentum), en helt kvantekvalitet.

Elektronet er for eksempel en fermion med semi-stående spinn, mens bosoner har hele spinn, noe som gjør sin statistiske oppførsel annerledes.

Fermioner liker å være annerledes og følger derfor Paulis eksklusjonsprinsipp, hvor det ikke kan være to fermioner i atomet med samme kvantetilstand. Dette er grunnen til at elektronene er lokalisert i forskjellige atombaner og dermed ikke okkuperer den samme kvantetilstanden.

På den annen side overholder bosoner ikke utelukkelsesprinsippet, så de har ingen ulemper med å okkupere den samme kvantetilstanden.

Dobbel natur av materie

Et annet sentralt faktum i forståelsen av CBE er sakens dobbelt natur: bølge og partikkel samtidig.

Både fermioner og bosoner kan beskrives som en bølge med en viss forlengelse i rommet. Bølgelengden λ av denne bølgen er relatert til den Momentum eller mengden av bevegelse p, Gjennom de Broglies ligning:

Kan tjene deg: elektrodynamikk

Hvor H er Plancks konstant, hvis verdi er 6.62607015 × 10^{-3. 4} J.s.

Ved høye temperaturer dominerer termisk omrøring, noe som betyr at momentumet p er stor og bølgelengde λ er liten. Atomer viser dermed sine egenskaper som partikler.

Men når temperaturen går ned, reduseres termisk omrør. Dermed slutter partiklene å være lokalisert, fordi de respektive bølgene øker størrelsen og overlappingen med hverandre.

Det er en viss kritisk temperatur som bosonene ender opp med å være i den grunnleggende tilstanden, som er staten med den laveste energien (den er ikke 0). Det er når kondensering skjer.

Resultatet er at bosoniske atomer ikke lenger kan skilles og systemet blir et slags superatom, beskrevet av en enkelt bølgefunksjon. Det tilsvarer å se det gjennom en kraftig økningslinse som du kan se detaljene.

Hvordan får du kondensatet?

Vanskeligheten med eksperimentet ligger i å holde systemet i tilstrekkelig lave temperaturer, slik at De Broglies bølgelengde forblir høy.

Colorado forskere oppnådde det gjennom et laserkjølesystem, som består av å treffe atomprøven foran med seks laserlysbjelker for å stoppe dem skarpt og dermed redusere deres termiske agitasjon drastisk drastisk.

Da ble de kaldere og mer langsomme atomene fanget av et magnetfelt, og lot det raskeste for å kjøle systemet ytterligere.

Kan tjene deg: Kirchhoff -lover Figur 2.- Hastighetsfordeling av RB -atomer i CBE. Den hvite toppen representerer det største antallet atomer, med estimert hastighet på 0.5 mm/s. Kilde: Wikimedia Commons.

Atomene begrenset på denne måten klarte å danne, i noen få øyeblikk, en liten dråpe CBE, som varte nok tid til å bli spilt inn i et bilde.

Applikasjoner og eksempler

CBE -applikasjoner er for tiden i full utvikling og vil fortsatt bruke litt tid før.

Kvanteberegning

Å opprettholde sammenheng i kvantedatamaskiner er ikke en lett oppgave, så CBE har blitt foreslått som et middel til å opprettholde utveksling av informasjon mellom individuelle kvantedatamaskiner.

Reduksjon av lyshastighet

Lysets hastighet i vakuum er en konstant av naturen, selv om verdien i andre medier, som i vann, kan være annerledes.

Takket være CBE er det mulig å redusere lysets hastighet, opptil 17 m/s, ifølge noen eksperimenter. Dette er noe som ikke bare tillater å utdype enda mer i studiet av lysets natur, men bruken av den i kvantumberegning for å lagre informasjon.

Atomiske klokker av stor presisjon

Kald atomer tillater å skape atomklokker med stor presisjon, som opplever minimum forsinkelser i lange perioder, av rekkefølgen på millioner av år, veldig nyttige egenskaper når du synkroniserer GPS -systemer.

Simulering av kosmologiske prosesser

Atomkreftene som genereres i kondensatet kan bidra til å simulere forholdene der fysiske prosesser oppstår i noen bemerkelsesverdige gjenstander i universet, for eksempel nøytronstjerner og sorte hull.

Referanser

1. Bauer, w. 2011. Fysikk for ingeniørfag og vitenskap. Volum 1. Mc Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kjemi. Ellevende utgave. McGraw Hill Education.
3. Landsil. De fem statene av materie. Gjenopprettet fra: Landsil.com.
4. Qubit -rapporten. Bose-Einstein kondensatformasjonshastighet økt, dannelsesmetode forenklet. Hentet fra: QuBitReport.com.
5. Tipler, s. 2008. Moderne fysikk. 5. plass. Redigere. W. H. Freeman & Company.