Bose Einstein kondensat

Vi förklarar vad som är Bose-Einstein kondensat, dess ursprung, egenskaper, hur det erhålls och dess tillämpningar

Figur 1.- I Bose Einsteins kondensat upprätthålls alla lågtemperaturbosoner i det lägsta energitillståndet. Källa: f. Zapata

Vad är Bose Einsteins kondensat?

Bose Einsteins kondensat (CBE) är ett tillstånd för aggregering av materia, liksom de vanliga tillstånden: gasformiga, flytande och solida, men som sker vid extremt låga temperaturer, mycket nära absolut noll.

Den består av partiklar som kallas bosoner, som vid dessa temperaturer är belägna i kvanttillståndet för lägre energi, kallad Grundtillstånd. Albert Einstein förutspådde denna omständighet 1924, efter att ha läst de verk som skickades av den hinduiska fysikern Satyendra Bose om fotonens statistik.

Det är inte lätt att få i laboratoriet de nödvändiga temperaturerna för bildandet av Bose-Einstein-kondensatet, så vi var tvungna att vänta till 1995 för att ha nödvändig teknik.

Det året lyckades de amerikanska fysikerna Eric Cornell och Carl Wieman (University of Colorado) och sedan den tyska fysikern Wolfgang Ketterle (MIT) observera det första kondensatet av Bose-Einstein. Colorado-forskare använde Rubidio-87, medan Ketterle uppnådde den genom en extremt utspädd gas med natriumatomer.

Tack vare dessa experiment, som öppnade dörrarna för nya forskningsområden i subjektets natur, fick Ketterle, Cornell och Wieman Nobelpriset 2001.

Och det är så att de mycket låga temperaturerna gör det möjligt att atomerna i en gas med vissa egenskaper genomförs ett sådant ordnat tillstånd, att de lyckas skaffa sig samma reducerade energi och mängd rörelse, något som inte händer i vanligt material.

Bose-Einstein kondensategenskaper

Låt oss titta på de viktigaste egenskaperna hos Bose-Einstein kondensat:

• Bose-Einstein-kondensat produceras i gaser som består av mycket utspädda bosoniska atomer.
• Atomerna i kondensatet förblir i samma kvanttillstånd: det grundläggande eller lägre energitillståndet.
• Extremt låga temperaturer krävs, bara en del nano-kelvin över den absoluta noll. Ju lägre temperaturen är partiklarnas vågbeteende allt tydligare.
• I princip finns materia i Bose Einstein -kondensatstillståndet inte i naturen, eftersom hittills har temperaturer inte upptäckts under 3 K.
• Vissa CBE har superledningsförmåga och super-fluiditet, det vill säga brist på motstånd mot passagen, såväl som viskositet.
• Atomerna i kondensatet, som alla är i samma kvanttillstånd, presenterar enhetlighet i deras egenskaper.

Det kan tjäna dig: unidimensionella vågor: matematiskt uttryck och exempel

Ursprunget till Bose-Einstein kondensat

När du har en gas inlåst i en behållare, vanligtvis håller partiklarna som komponerar den tillräckligt avstånd från varandra och interagerar mycket lite, med undantag för tillfälliga kollisioner mellan dem och med containerens väggar. Därifrån härstammar den välkända idealiska gasmodellen.

Partiklarna är emellertid i en permanent termisk omrörning, och temperaturen är den avgörande parametern som definierar hastigheten: vid en högre temperatur, snabbare rörelse.

Och medan hastigheten för varje partikel kan variera, förblir systemets medelhastighet konstant vid en given temperatur.

Fermioner och bosoner

Följande viktiga faktum är att materia består av två typer av partiklar: fermioner och bosoner, differentierat med snurr (inneboende vinkelmoment), en helt kvantkvalitet.

Elektronen är till exempel en fermion med halvstående snurr, medan bosoner har hela snurr, vilket gör sitt statistiska beteende annorlunda.

Fermioner gillar att vara annorlunda och följ därför Paulis uteslutningsprincip, enligt vilken det inte kan finnas två fermioner i atomen med samma kvanttillstånd. Det är därför elektronerna är belägna i olika atomorbitaler och därmed inte upptar samma kvanttillstånd.

Å andra sidan följer bosoner inte principen om uteslutning, så de har inga besvär att ockupera samma kvanttillstånd.

Matterens dubbla natur

Ett annat viktigt faktum i förståelsen av CBE är den dubbla naturen i saken: våg och partikel samtidigt.

Både fermioner och bosoner kan beskrivas som en våg med en viss förlängning i rymden. Våglängden λ av denna våg är relaterad till dess Momentum eller mängden rörelse p, Genom de Broglies ekvation:

Kan tjäna dig: elektrodynamik

Där h är Plancks konstant, vars värde är 6 62607015 × 10^{-3. 4} J.s.

Vid höga temperaturer dominerar termisk agitation, vilket innebär att fart p är stor och våglängd λ är liten. Atomer visar således sina egenskaper som partiklar.

Men när temperaturen sjunker, minskar termisk agitation och med den momentumet och härstammar att våglängden ökar och de böljande egenskaperna råder. Således upphör partiklarna att vara belägna, eftersom respektive vågor ökar sin storlek och överlappning med varandra.

Det finns en viss kritisk temperatur under vilken bosonerna hamnar i det grundläggande tillståndet, som är staten med den lägsta energin (det är inte 0). Det är när kondensation inträffar.

Resultatet är att bosoniska atomer inte längre kan urskiljas och systemet blir en slags superatom, beskrivet av en enda vågfunktion. Det motsvarar att se det genom en kraftfull ökningslins som du kan se dess detaljer.

Hur får du kondensatet?

Svårigheten med experimentet ligger i att hålla systemet vid tillräckligt låga temperaturer, så att De Broglies våglängd förblir hög.

Colorado -forskare uppnådde det genom ett laserkylsystem, som består av att slå atomprovet frontalt med sex laserljusstrålar för att stoppa dem kraftigt och därmed drastiskt minska deras termiska omröring.

Sedan fångades de kallare och långsammare atomerna av ett magnetfält, vilket låt det snabbast kyla systemet ytterligare.

Kan tjäna dig: Kirchhoff -lagar figur 2.- Hastighetsfördelning av RB -atomer i CBE. Den vita toppen representerar det största antalet atomer, med uppskattad hastighet på 0.5 mm/s. Källa: Wikimedia Commons.

Atomerna begränsade på detta sätt lyckades, i några ögonblick, en liten droppe CBE, som varade tillräckligt med tid för att spelas in i en bild.

Applikationer och exempel

CBE -applikationer är för närvarande i full utveckling och kommer fortfarande att spendera lite tid innan.

Kvantdator

Att upprätthålla koherens i kvantdatorer är inte en enkel uppgift, så CBE har föreslagits som ett sätt att upprätthålla informationsutbytet mellan enskilda kvantdatorer.

Minskning av ljushastigheten

Ljushastigheten i vakuum är en konstant, även om dess värde i andra media, som i vatten, kan vara annorlunda.

Tack vare CBE är det möjligt att till stor del minska ljusets hastighet, upp till 17 m/s, enligt vissa experiment. Detta är något som gör det möjligt för inte bara att fördjupa ännu mer i studien av ljusets natur, utan dess användning i kvantdator för att lagra information.

Atomklockor med stor precision

Kalla atomer tillåter skapandet av atomklockor med stor precision, som upplever minsta förseningar under långa perioder, i storleksordningen miljoner år, mycket användbara egenskaper vid synkronisering av GPS -system.

Simulering av kosmologiska processer

Atomkrafterna som genereras i kondensatet kan hjälpa till att simulera förhållandena där fysiska processer förekommer inom vissa anmärkningsvärda föremål i universum, såsom neutronstjärnor och svarta hål.

Referenser

1. Bauer, w. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kemi. Elfte upplagan. McGraw Hill Education.
3. Landsil. De fem materien. Återhämtat sig från: Landsil.com.
4. Qubbit -rapporten. Bose-Einstein-kondensatbildningshastighet ökade, metoden för formation förenklad. Hämtad från: QubbitReport.com.
5. Tipler, s. 2008. Modern fysik. Femte. Redigera. W. H. Freeman & Company.