Bose Einstein kondensat

Wyjaśniamy, jaki jest kondensat Bose-Einstein, jego pochodzenie, cechy, sposób jego uzyskania i jego zastosowania

Rysunek 1.- W kondensatu Bose Einsteina bozony niskiej temperatury są utrzymywane w najniższym stanie. Źródło: f. Zapata

Co to jest kondensat Bose Einsteina?

Kondensat Bose Einsteina (CBE) jest stanem agregacji materii, a także zwykłych stanów: gazowy, ciekł i stały, ale który odbywa się w bardzo niskich temperaturach, bardzo blisko bezwzględnego zera zero.

Składa się z cząstek zwanych bozonami, które w tych temperaturach znajdują się w stanie kwantowym niższej energii, zwanej Stan podstawowy. Albert Einstein przewidział tę okoliczność w 1924 r.

Nie jest łatwo uzyskać w laboratorium niezbędne temperatury do tworzenia kondensatu Bose-Einsteina, więc musieliśmy poczekać do 1995 r., Aby mieć niezbędną technologię.

W tym roku amerykańscy fizycy Eric Cornell i Carl Wieman (University of Colorado), a następnie niemiecki fizyk Wolfgang Ketterle (MIT), udało się zaobserwować pierwszy kondensat Bose-Einsteina. Naukowcy z Kolorado używali Rubidio-87, podczas gdy Ketterle osiągnął go przez wyjątkowo rozcieńczony gaz atomów sodu.

Dzięki tym eksperymentom, które otworzyły drzwi do nowych dziedzin badawczych w charakterze tematu, Ketterle, Cornell i Wieman otrzymali Nagrodę Nobla w 2001 roku.

I jest tak, że bardzo niskie temperatury umożliwiają, aby atomy gazu o pewnych cechach są prowadzone tak uporządkowane, że udaje im się zdobyć taką samą zmniejszoną energię i ilość ruchu, co nie zdarza się w sprawie zwykłej materii.

Charakterystyka kondensatu Bose-Einsteina

Spójrzmy na główne cechy kondensatu Bose-Einsteina:

• Kondensat Bose-Einsteina jest wytwarzany w gazach złożonych z bardzo rozcieńczonych atomów bozonicznych.
• Atomy w kondensatu pozostają w tym samym stanie kwantowym: podstawowym lub niższym stanie energetycznym.
• Wymagane są wyjątkowo niskie temperatury, tylko niektóre nano-kelvin powyżej bezwzględnego zera. Im niższa temperatura, zachowanie falowe cząstek jest coraz bardziej widoczne.
• Zasadniczo materia w stanie kondensatu Bose Einstein nie istnieje w naturze, ponieważ temperatury do tej pory nie zostały wykryte poniżej 3 K.
• Niektóre CBE mają nadprzewodnictwo i nadpłynność, to znaczy brak sprzeciwu wobec przejścia prądu, a także lepkość.
• Atomy w kondensatu, będąc w tym samym stanie kwantowym, przedstawiają jednolitość w swoich właściwościach.

Może ci służyć: fale jednoznaczne: wyrażenie matematyczne i przykłady

Pochodzenie kondensatu Bose-Einsteina

Kiedy masz zablokowany gaz w pojemniku, zwykle cząstki, które komponują go, zachowują od siebie wystarczającą odległość, oddziałując bardzo niewiele, z wyjątkiem sporadycznych zderzeń między nimi i ze ścianami pojemnika. Stamtąd czerpie dobrze znany model gazu idealnego.

Jednak cząstki są w stałym mieszaniu termicznym, a temperatura jest decydującym parametrem, który określa prędkość: w wyższej temperaturze szybszy ruch.

I chociaż prędkość każdej cząstki może się zmieniać, średnia prędkość systemu pozostaje stała w danej temperaturze.

Fermiony i bozony

Poniższy ważny fakt polega na tym, że materia składa się z dwóch rodzajów cząstek: fermionów i bozonów, zróżnicowanych przez spin (wewnętrzny pęd kątowy), całkowicie kwantowej jakości.

Na przykład elektron jest fermionem z częściowo standardowym spinem, podczas gdy bozony mają całe spin, dzięki czemu ich zachowanie statystyczne są różne.

Fermiony lubią być inne, a zatem są posłuszne zasadzie wykluczenia Pauli, zgodnie z którymi w atomie nie mogą być dwa fermiony z tym samym stanem kwantowym. Właśnie dlatego elektrony znajdują się w różnych orbitalach atomowych, a zatem nie zajmują tego samego stanu kwantowego.

Z drugiej strony bozony nie przestrzegają zasady wykluczenia, więc nie mają niedogodności, aby zajmować ten sam stan kwantowy.

Podwójna natura materii

Innym kluczowym faktem w zrozumieniu CBE jest podwójna natura materii: fala i cząsteczka jednocześnie.

Zarówno fermiony, jak i bozony można opisać jako falę z pewnym rozszerzeniem w przestrzeni. Długość fali λ tej fali jest związane z jej pęd lub ilość ruchu P, Poprzez równanie de Broglie:

Może ci służyć: elektrodynamika

Gdzie H jest stałą Plancka, której wartość wynosi 662607015 × 10^{-3. 4} J.S.

W wysokich temperaturach dominuje agitacja termiczna, co oznacza, że ​​pęd P jest duża i długość fali λ jest mały. Atomy pokazują zatem ich właściwości jako cząstki.

Ale kiedy temperatura opada, agitacja termiczna zmniejsza się, a wraz z nią pęd, pochodząc, że zwiększa się długość fali i dominuje charakterystyka pofalowy. W ten sposób cząstki przestają się zlokalizować, ponieważ odpowiednie fale zwiększają ich rozmiar i nakładają się ze sobą.

Istnieje pewna krytyczna temperatura, w której bozony kończą się w stanie fundamentalnym, czyli stanu o najniższej energii (nie jest 0). Wtedy następuje kondensacja.

W rezultacie atomy bozoniczne nie są już rozróżnialne, a system staje się rodzajem super atomu, opisanego przez funkcję pojedynczej fali. Jest to równoważne widzenie go przez potężny soczewki, z którymi można zobaczyć jego szczegóły.

Jak zdobyć kondensat?

Trudność eksperymentu polega na utrzymaniu systemu w wystarczająco niskich temperaturach, tak że długość fali de Broglie pozostaje wysoka.

Naukowcy z Kolorado osiągnęli go poprzez laserowy system chłodzenia, który polega na tym, że uderzył próbkę atomu z sześcioma wiązkami światła laserowego, aby je ostro zatrzymać, a tym samym drastycznie zmniejszyć ich agitację termiczną.

Następnie zimniejsze i bardziej powolne atomy zostały uwięzione przez pole magnetyczne, pozwalając najszybciej do dalszego chłodzenia systemu.

Może ci służyć: Kirchhoff Laws Rysunek 2.- Rozkład prędkości atomów RB w CBE. Biały pik reprezentuje największą liczbę atomów, z szacunkową prędkością 0.5 mm/s. Źródło: Wikimedia Commons.

Atomy ograniczone w ten sposób udało się utworzyć, przez kilka chwil, niewielka kropla CBE, która trwała wystarczająco dużo czasu na zarejestrowanie na obrazie.

Aplikacje i przykłady

Aplikacje CBE są obecnie w pełnym rozwoju i nadal będą spędzać trochę czasu.

Obliczanie kwantowe

Utrzymanie spójności w komputerach kwantowych nie jest łatwym zadaniem, więc zaproponowano CBE jako sposób na utrzymanie wymiany informacji między poszczególnymi komputerami kwantowymi.

Redukcja prędkości światła

Prędkość światła w próżni jest stałą natury, chociaż jego wartość w innych mediach, jak w wodzie, może być inna.

Dzięki CBE można w dużej mierze zmniejszyć prędkość światła, do 17 m/s, zgodnie z niektórymi eksperymentami. Jest to coś, co pozwoli nie tylko pogłębiać się jeszcze bardziej w badaniu natury światła, ale jego zastosowanie w obliczeniach kwantowych do przechowywania informacji.

Atomowe zegarki o wielkiej precyzji

Zimne atomy pozwalają na tworzenie atomowych zegarków o wielkiej precyzji, które doświadczają minimalnych opóźnień w długich okresach, rzędu milionów lat, bardzo przydatne cechy podczas synchronizacji systemów GPS.

Symulacja procesów kosmologicznych

Siły atomowe generowane w kondensatu mogą pomóc w symulacji warunków, w których procesy fizyczne występują w niektórych znaczących obiektach we wszechświecie, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne otwory.

Bibliografia

1. Bauer, w. 2011. Fizyka inżynierii i nauki. Tom 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Chemia. Jedenaste wydanie. McGraw Hill Education.
3. Landsil. Pięć stanów materii. Odzyskane z: Landsil.com.
4. Raport Qubit. Bose-Einstein Contensate Szybkość tworzenia się, metoda formacji uproszczona. Źródło: QubitReport.com.
5. Tipler, str. 2008. Nowoczesna fizyka. 5. Edytować. W. H. Freeman & Company.