Bose Einstein kondensat (CBE) er en tilstand af sammenlægning af stof, ligesom de sædvanlige tilstande: gasformig, flydende og fast, men som finder sted ved ekstremt lave temperaturer, meget tæt på absolut nul.
Den består af partikler kaldet bosoner, der ved disse temperaturer er placeret i den laveste energikvantum, kaldet grundlæggende tilstand. Albert Einstein forudsagde denne omstændighed i 1924 efter at have læst papirerne sendt til ham af den hinduistiske fysiker Satyendra Bose om statistikker over fotoner..
Det er ikke let at opnå de nødvendige temperaturer i laboratoriet til dannelse af Bose-Einstein-kondensatet, så det var nødvendigt at vente til 1995 for at få den nødvendige teknologi.
Det år lykkedes de nordamerikanske fysikere Eric Cornell og Carl Wieman (University of Colorado) og senere den tyske fysiker Wolfgang Ketterle (MIT) at observere de første Bose-Einstein-kondensater. Colorado-forskerne brugte rubidium-87, mens Ketterle gjorde det gennem en meget fortyndet gas af natriumatomer..
Takket være disse eksperimenter, der åbnede dørene for nye forskningsområder inden for materiens natur, modtog Ketterle, Cornell og Wieman Nobelprisen i 2001..
Og det er, at de meget lave temperaturer gør det muligt for atomer i en gas med bestemte egenskaber at danne en så ordnet tilstand, at de alle formår at erhverve den samme reducerede energi og bevægelsesmængde, noget der ikke sker i almindelig sag..
Lad os se på de vigtigste egenskaber ved Bose-Einstein-kondensat:
Når du har en gas lukket i en beholder, holder partiklerne, der sammensætter den, normalt tilstrækkelig afstand fra hinanden og interagerer meget lidt, bortset fra lejlighedsvis kollision mellem dem og med beholderens vægge. Derfra stammer den velkendte ideelle gasmodel.
Partiklerne er imidlertid under permanent termisk omrøring, og temperatur er den afgørende parameter, der definerer hastigheden: jo højere temperaturen er, jo hurtigere bevæger de sig..
Og mens hastigheden af hver partikel kan variere, forbliver systemets gennemsnitlige hastighed konstant ved en given temperatur..
Den næste vigtige kendsgerning er, at stof er sammensat af to typer partikler: fermioner og bosoner, der er differentieret ved spin (indre vinkelmoment), en helt kvantemæssig kvalitet..
Elektronen er for eksempel en fermion med semi-heltal spin, mens bosoner har et heltal spin, hvilket gør deres statistiske adfærd anderledes..
Fermioner kan lide at være forskellige, og det er derfor, de adlyder Pauli-udelukkelsesprincippet, ifølge hvilket der ikke kan være to fermioner i atomet med samme kvantetilstand. Af denne grund er elektronerne placeret i forskellige atomorbitaler og indtager således ikke den samme kvantetilstand.
På den anden side overholder bosoner ikke eksklusionsprincippet, så de har ikke noget problem med at besætte den samme kvantetilstand.
En anden vigtig kendsgerning i forståelsen af CBE er den dobbelte natur af stof: bølge og partikel på samme tid..
Både fermioner og bosoner kan beskrives som en bølge med en vis forlængelse i rummet. Bølgelængde λ af denne bølge er relateret til dens momentum eller momentum s, gennem De Broglie ligningen:
Hvor h er Plancks konstant, hvis værdi er 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
Ved forhøjede temperaturer dominerer termisk omrøring, hvilket betyder, at momentum s er stor og bølgelængden λ Er lille. Atomer viser således deres egenskaber som partikler.
Men når temperaturen falder, falder den termiske omrøring og med det momentum, hvilket får bølgelængden til at stige, og bølgeegenskaberne hersker. Således er partiklerne ikke længere lokaliserede, fordi de respektive bølger øges i størrelse og overlapper hinanden..
Der er en bestemt kritisk temperatur, under hvilken bosonerne ender i jordtilstand, hvilket er den tilstand med den laveste energi (det er ikke 0). Dette er, når der opstår kondens.
Resultatet er, at de bosoniske atomer ikke længere skelnes, og systemet bliver en slags superatom, beskrevet af en enkelt bølgefunktion. Det svarer til at se det gennem en kraftig forstørrelseslinse, som dens detaljer kan værdsættes med.
Vanskeligheden ved eksperimentet ligger i at holde systemet ved temperaturer lave nok til, at de Broglie-bølgelængden forbliver høj..
Colorado-forskerne opnåede dette ved at bruge et laserkølesystem, som består i at ramme prøven af atomer frontalt med seks stråler af laserlys for brat at bremse dem ned og dermed drastisk mindske deres termiske omrøring..
Derefter blev de koldere og langsommere atomer fanget af et magnetfelt, hvilket lod de hurtigere flygte for yderligere at afkøle systemet..
Atomerne, der var begrænset på denne måde, formede i korte øjeblikke en lille dråbe CBE, som varede længe nok til at blive registreret i et billede..
CBE-applikationer er i øjeblikket i fuld udvikling, og det vil stadig vare et stykke tid, før de realiseres..
Det er ikke let at opretholde konsistens i kvantecomputere, hvorfor CBE'er er blevet foreslået som et middel til at opretholde informationsudveksling mellem individuelle kvantecomputere..
Lysets hastighed i vakuum er en konstant natur, skønt dens værdi i andre medier, såsom vand, kan være forskellig.
Takket være CBE'er er det muligt at reducere lysets hastighed kraftigt op til 17 m / s ifølge nogle eksperimenter. Det er noget, der ikke kun giver os mulighed for at gå endnu dybere ind i studiet af lysets natur, men også dets anvendelse i kvanteberegning til at gemme information.
Kolde atomer tillader oprettelse af meget nøjagtige atomure, der oplever minimale forsinkelser over lange perioder i størrelsesordenen millioner af år, meget nyttige egenskaber ved synkronisering af GPS-systemer..
De atomkræfter, der genereres i kondensatet, kan hjælpe med at simulere de betingelser, under hvilke fysiske processer forekommer inden for nogle bemærkelsesværdige objekter i universet, såsom neutronstjerner og sorte huller..
Endnu ingen kommentarer