Kondenzát Bose Einstein

Vysvetľujeme, čo je kondenzát Bose-Einstein, jeho pôvod, charakteristiky, ako sa získa a jeho aplikácie

postava 1.- V kondenzáte Bose Einsteina sa bozóny s nízkou teplotou udržiavajú v najnižšom stave energie. Zdroj: f. Zapata

Čo je kondenzát Bose Einsteina?

Kondenzát Bose Einsteina (CBE) je stav agregácie hmoty, ako aj obvyklé stavy: plynný, kvapalný a tuhý, ale ku ktorým dochádza pri extrémne nízkych teplotách, veľmi blízko k absolútnej nule.

Skladá sa z častíc nazývaných bozóny, ktoré sa pri týchto teplotách umiestnia v kvantovom stave nižšej energie, nazývané Základný štát. Albert Einstein predpovedal túto okolnosť v roku 1924, po prečítaní diel, ktoré poslal hinduistický fyzik Satyendra Bose o štatistike fotónov.

V laboratóriu nie je ľahké získať potrebné teploty na tvorbu kondenzátu Bose-Einstein, takže sme museli počkať do roku 1995, aby sme mali potrebnú technológiu.

V tom roku americký fyzici Eric Cornell a Carl Wieman (University of Colorado) a potom nemeckému fyzikovi Wolfgang Ketterle (MIT) podarilo pozorovať prvý kondenzát Bose-Einstein. Vedci z Colorado použili Rubidio-87, zatiaľ čo Ketterle ho dosiahol prostredníctvom extrémne zriedeného plynu atómov sodíka.

Vďaka týmto experimentom, ktoré otvorili dvere do nových výskumných polí v povahe predmetu, Ketterle, Cornell a Wieman dostali Nobelovu cenu v roku 2001.

A je to, že veľmi nízke teploty umožňujú, že atómy plynu s určitými charakteristikami sa vykonávajú taký usporiadaný stav, že sa im podarí získať všetku rovnakú zníženú energiu a množstvo pohybu, čo sa nestane v bežných látkach.

Charakteristiky kondenzátu bose-einstein

Pozrime sa na hlavné charakteristiky kondenzátu Bose-Einstein:

• Bose-einsteinov kondenzát sa vyrába v plynoch zložených z veľmi zriedených atómov bosonických.
• Atómy v kondenzáte zostávajú v rovnakom kvantovom stave: základný alebo nižší energetický stav.
• Vyžadujú sa extrémne nízke teploty, len niektoré nano-kelvin nad absolútnou nulou. Čím nižšia je teplota, správanie sa vlny častíc je čoraz zrejmejšie.
• V zásade, hmota v stave kondenzátu Bose Einstein neexistuje v prírode, pretože doteraz neboli zistené teploty pod 3 K.
• Niektoré CBE majú supravodivosť a super-tekutosť, to znamená nedostatok opozície voči priechodu prúdu, ako aj viskozity.
• Atómy v kondenzáte, ktoré sú všetky v rovnakom kvantovom stave, predstavujú uniformitu vo svojich vlastnostiach.

Môže vám slúžiť: Unidimenzionálne vlny: matematický výraz a príklady

Pôvod kondenzátu Bose-Einstein

Ak máte plyn uzamknutý v nádobe, zvyčajne častice, ktoré ho skladajú, udržiavajú dostatočnú vzdialenosť od seba, interagujú veľmi málo, s výnimkou príležitostných zrážok medzi nimi a so stenami nádoby. Odtiaľ odvodzuje dobre známy model ideálneho plynu.

Častice sú však v trvalom tepelnom agitácii a teplota je rozhodujúci parameter, ktorý definuje rýchlosť: pri vyššej teplote, rýchlejší pohyb.

A zatiaľ čo rýchlosť každej častice sa môže meniť, priemerná rýchlosť systému zostáva konštantná pri danej teplote.

Fermions a bosons

Nasledujúca dôležitá skutočnosť je, že hmota sa skladá z dvoch typov častíc: fermions a bosons, diferencované rotáciou (vnútorná uhlová hybnosť), úplne kvantová kvalita.

Elektrón je napríklad fermion s polo stojacim rotáciou, zatiaľ čo bozóny majú celé rotácie, vďaka čomu sa ich štatistické správanie odlišuje.

Fermions by sa chcel líšiť, a preto poslúchať Pauliho vylučovací princíp, podľa ktorého nemôžu byť v atóme dve fermóny s rovnakým kvantovým stavom. Z tohto dôvodu sú elektróny umiestnené na rôznych atómových orbitáloch, a preto nezaberajú rovnaký kvantový stav.

Na druhej strane, Bosoni nedodržiavajú zásadu vylúčenia, takže nemajú nepríjemnosti, aby zaberali rovnaký kvantový stav.

Duálna povaha hmoty

Ďalšou kľúčovou skutočnosťou v porozumení CBE je duálna povaha veci: vlna a častice zároveň.

Fermions aj Bosons možno opísať ako vlnu s určitým rozšírením vo vesmíre. Vlnová dĺžka λ tejto vlny súvisí s jej spád alebo množstvo pohybu p, Cez rovnicu De Broglie:

Môže vám slúžiť: elektrodynamika

Kde H je Planckova konštanta, ktorej hodnota je 6 62607015 × 10^{-3. 4} J.siež.

Pri vysokých teplotách prevažuje tepelná agitácia, čo znamená, že hybnosť p je veľká a vlnová dĺžka λ je malé. Atómy tak ukazujú svoje vlastnosti ako častice.

Ale keď teplota zostupuje, tepelná agitácia klesá a s ňou hybnosť, ktorá pochádza z toho, že sa vlnová dĺžka zvyšuje a zvlnené charakteristiky prevládajú. Častice sa tak prestávajú umiestniť, pretože príslušné vlny zväčšujú svoju veľkosť a prekrývajú sa navzájom.

Existuje určitá kritická teplota, pri ktorej Bosoni nakoniec sú v základnom stave, ktorý je štátom s najnižšou energiou (nie je 0). To je, keď dôjde k kondenzácii.

Výsledkom je, že bosonické atómy už nie sú rozlíšiteľné a systém sa stáva druhom super atómu, opísaného funkciou jednej vlny. Je to rovnocenné tomu, aby ste ju videli prostredníctvom silného zvýšeného objektívu, s ktorým môžete vidieť jeho podrobnosti.

Ako získate kondenzát?

Obtiažnosť experimentu spočíva v udržiavaní systému pri dostatočne nízkych teplotách, takže de Broglieho vlnová dĺžka zostáva vysoká.

Vedci v Colorade to dosiahli prostredníctvom laserového chladiaceho systému, ktorý spočíva v prednej strane na frontovom zasiahnutí vzorky atómu so šiestimi laserovými svetelnými lúčmi, aby ich ostro zastavil, a tak drasticky znížil ich tepelné rozrušenie.

Potom boli chladnejšie a pomalšie atómy zachytené magnetickým poľom, čo umožnilo najrýchlejšie, aby sa systém ďalej ochladil.

Môže vám slúžiť: Kirchhoff zákony Obrázok 2.- Distribúcia rýchlosti atómov RB v CBE. Biely vrchol predstavuje najväčší počet atómov s odhadovanou rýchlosťou 0.5 mm/s. Zdroj: Wikimedia Commons.

Atómmi, ktoré sa takto obmedzili, sa na chvíľu podarilo formovať malú kvapku CBE, ktorá trvala dostatok času na to, aby bola zaznamenaná na obrázku.

Aplikácie a príklady

Aplikácie CBE sú v súčasnosti v úplnom vývoji a stále budú tráviť nejaký čas predtým.

Kvantové výpočty

Udržiavanie koherencie v kvantových počítačoch nie je ľahkou úlohou, takže CBE bola navrhnutá ako prostriedok na udržanie výmeny informácií medzi jednotlivými kvantovými počítačmi.

Zníženie rýchlosti svetla

Rýchlosť svetla vo vákuu je konštanta prírody, hoci jej hodnota v iných médiách, ako vo vode, sa môže líšiť.

Vďaka CBE je podľa niektorých experimentov do značnej miery znížiť rýchlosť svetla až 17 m/s. To je niečo, čo umožní nielen prehĺbiť ešte viac pri štúdiu povahy svetla, ale aj jeho použitie v kvantových výpočtoch na ukladanie informácií.

Atómové hodinky s veľkou presnosťou

Atómy chladu umožňujú vytváranie atómových hodiniek s veľkou presnosťou, ktoré zažívajú minimálne oneskorenia v dlhých obdobiach, rádia miliónov rokov, veľmi užitočné vlastnosti pri synchronizácii systémov GPS.

Simulácia kozmologických procesov

Atómové sily, ktoré sú generované v kondenzáte, môžu pomôcť simulovať podmienky, v ktorých sa fyzické procesy vyskytujú v niektorých významných objektoch vo vesmíre, ako sú neutrónové hviezdy a čierne diery.

Odkazy

1. Bauer, w. 2011. Fyzika pre inžinierstvo a vedy. Zväzok 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Chémia. Jedenáste vydanie. McGraw Hill Education.
3. Krajina. Päť stavov hmoty. Získané z: Landsil.com.
4. Správa o quit. Bose-Einsteinov kondenzát Speed ​​Speed ​​Speed. Zdroj: Qubitreport.com.
5. Tipler, P. 2008. Moderná fyzika. 5. Upraviť. W. H. Freeman & Company.