Bose-Einstein kondensatas: kilmė, savybės ir panaudojimas

Bose-Einšteino kondensatas yra tam tikrų dalelių būklė, esant tam tikroms dalims, esant beveik absoliučiai nuliui. Ilgą laiką buvo manoma, kad tik trys galimos medžiagos agregacijos būsenos buvo kietos, skystos ir dujinės.

Tada buvo atrasta ketvirtoji būsena: plazma; ir Bose-Einšteino kondensatas laikomas penkta būsena. Tipiška savybė yra ta, kad kondensato dalelės elgiasi kaip didelė kvantinė sistema, o ne kaip paprastai (kaip atskirų kvantinių sistemų rinkinys arba kaip atomų grupė).

Kitaip tariant, galima teigti, kad visas atomų, sudarančių Bose-Einšteino kondensatą, rinkinys elgiasi taip, tarsi jis būtų vienas atomas.

Kilmė

Kaip ir daugelis naujausių mokslinių atradimų, kondensato buvimas teoriškai buvo išaiškintas prieš tai, kai buvo empirinių įrodymų apie jo egzistavimą.

Taigi, 1920-aisiais bendrame leidinyje teoriškai šis fenomenas buvo prognozuojamas Albert Einstein ir Satyendra Nath Bose, kurie tai padarė pirmiausia fotonų atveju ir tada hipotetinių dujinių atomų atveju.

Jo tikrojo egzistavimo demonstravimas buvo neįmanomas tik prieš kelis dešimtmečius, kai buvo įmanoma atvėsti mėginį iki pakankamai žemos temperatūros, kad įrodytų, jog numatytos lygtys yra teisingos.

Gauti

1995 m. Bose-Einšteino kondensatą įsigijo Ericas Cornellas, Carlo Wieman ir Wolfgang Ketterle, kurie dėl to galėjo pasidalinti 2001 m. Nobelio fizikos premija.

Norint pasiekti Bose-Einšteino kondensatą, jie panaudojo daugybę eksperimentinių metodų atominėje fizikoje, su kuria jie sugebėjo pasiekti 0, 00000002 laipsnių Kelvino temperatūrą virš absoliutaus nulio (temperatūra buvo žymiai mažesnė už žemiausią temperatūrą, matomą kosmoso erdvėje).,

Ericas Kornelis ir Karlo Veimanas šiuos metodus naudojo praskiestose dujose, sudarytose iš rubidžio atomų; Savo ruožtu Wolfgang Ketterle juos pritaikė netrukus po natrio atomų.

Bosonai

Pavadinimas bosonas naudojamas garbei Indijos gimęs fizikas Satyendra Nath Bose. Dalelių fizikoje laikomi du pagrindiniai elementariųjų dalelių tipai: bosonai ir ferminionai.

Kas lemia, ar dalelė yra bosonas, ar fermionas yra tai, ar jo nugara yra sveikasis skaičius, ar pusiau sveikasis skaičius. Galiausiai bosonai yra dalelės, atsakingos už sąveikos jėgų perdavimą tarp fermionų.

Tik bosoninės dalelės gali turėti tokią Bose-Einšteino kondensato būseną: jei atšaldytos dalelės yra fermionai, tai pasiekiama vadinama „Fermi“ skysčiu.

Taip yra todėl, kad skirtingai nuo fermionų bosonai neturi atitikti Pauli atskyrimo principo, kuriame teigiama, kad dvi identiškos dalelės tuo pačiu metu negali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje.

Visi atomai yra tie patys atomai

Bose-Einšteino kondensate visi atomai yra visiškai vienodi. Tokiu būdu dauguma kondensuotų atomų yra tame pačiame kvantiniame lygyje, mažėjantys iki žemiausio galimo energijos lygio.

Dalindami tą pačią kvantinę būseną ir turėdami tą pačią (minimalią) energiją, atomai yra neatskiriami ir elgiasi kaip vienas „super atomas“.

Savybės

Faktas, kad visi atomai turi vienodas savybes, lemia nustatytų teorinių savybių seriją: atomai užima tą patį tūrį, vienodos spalvos sklaidos šviesa ir homogeninė terpė, be kitų savybių.

Šios savybės yra panašios į idealaus lazerio savybes, kurios skleidžia nuoseklią šviesą (erdviškai ir laikinai), vienodą, monochromatinę, kurioje visos bangos ir fotonai yra absoliučiai lygūs ir judėti ta pačia kryptimi, todėl idealiu atveju išsklaidyti

Programos

Šios naujos materijos būsenos teikiamos galimybės yra daug, kai kurios iš tikrųjų nuostabios. Tarp dabartinių ar besivystančių Bose-Einstein kondensatų yra įdomiausi:

- Jo naudojimas kartu su atominiais lazeriais, kad būtų sukurtos labai tikslios nano struktūros.

- gravitacinio lauko intensyvumo nustatymas.

- Atominių laikrodžių gamyba yra tikslesnė ir stabilesnė nei šiuo metu egzistuoja.

- Mažos apimties modeliavimas tam tikrų kosmologinių reiškinių tyrimui.

- superfluidumo ir superlaidumo taikymas.

- Paraiškos, gautos iš fenomeno, vadinamo lėtos šviesos arba lėtos šviesos; pavyzdžiui, teleportacijos metu arba perspektyvioje kvantinės skaičiavimo srityje.

- gilinti kvantinės mechanikos žinias, atlikti sudėtingesnius ir nelinijinius eksperimentus, taip pat patikrinti neseniai suformuluotas tam tikras teorijas. Kondensatai suteikia galimybę laboratorijose atkurti šviesos metus.

Kaip matyti, Bose-Einšteino kondensatai gali būti naudojami ne tik kuriant naujus metodus, bet ir patobulinti kai kuriuos jau egzistuojančius metodus.

Ne veltui jie siūlo didelį tikslumą ir patikimumą, kuris yra galimas dėl jų fazės nuoseklumo atominiame lauke, kuris palengvina puikų laiko ir atstumų valdymą.

Todėl Bose-Einšteino kondensatai gali tapti tokie pat revoliuciniai, kaip ir pats lazeris, nes jie turi daug bendrų savybių. Vis dėlto didelė problema atsiranda dėl temperatūros, kurioje šie kondensatai gaminami.

Taigi sunku tai, kaip sudėtinga juos gauti, ir jų brangiai kainuojančią priežiūrą. Dėl visų šių priežasčių dauguma pastangų šiuo metu daugiausia skiriamos jų taikymui pagrindiniams moksliniams tyrimams.

Sutrumpintas Bose-Einšteinas ir kvantinė fizika

Bose-Einšteino kondensatų buvimas parodė naują ir svarbią priemonę naujų fizinių reiškinių tyrimui labai įvairiose srityse.

Nėra jokių abejonių, kad jos nuoseklumas makroskopiniame lygmenyje palengvina kvantinės fizikos įstatymų tyrimą, supratimą ir demonstravimą.

Tačiau tai, kad norint pasiekti šią materialiąją būseną yra būtinos temperatūros artimos absoliučiai nuliui, yra rimtas nepatogumas, leidžiantis išnaudoti visas jo neįtikėtinas savybes.