KONDENZAT BOSE-EINSTEIN: LASTNOSTI IN APLIKACIJE - FIZIČNO - 2025

Bose-Einsteinov kondenzat je stanje snovi, ki se pojavlja pri nekaterih delcev pri temperaturah blizu absolutne ničle. Dolgo časa je veljalo, da so edina tri možna stanja agregacije snovi trdna, tekoča in plinska.

Potem so odkrili četrto stanje: stanje plazme; kondenzat Bose-Einstein pa velja za peto stanje. Značilna lastnost je, da se delci v kondenzatu obnašajo kot velik kvantni sistem, ne kot običajno (kot skupek posameznih kvantnih sistemov ali kot skupina atomov).

Z drugimi besedami, lahko rečemo, da se celoten niz atomov, ki sestavljajo Bose-Einsteinov kondenzat, obnaša kot bi bil en atom.

Poreklo

Kot številna novejša znanstvena odkritja je bil obstoj kondenzata teoretično sklenjen, preden so se pojavili empirični dokazi o njegovem obstoju.

Tako sta Albert Einstein in Satyendra Nath Bose teoretično napovedala ta pojav v skupni publikaciji v dvajsetih letih 20. To sta storila najprej v primeru fotonov in nato v primeru hipotetičnih plinastih atomov.

Dokazovanje njegovega resničnega obstoja ni bilo mogoče pred nekaj desetletji, ko je bilo mogoče vzorec ohladiti na temperature, ki so bile dovolj nizke, da so preverili, ali je resničnost predvidenih enačb.

Satyendra Nath Bose

Pridobitev

Kondenzat Bose-Einstein so leta 1995 dobili Eric Cornell, Carlo Wieman in Wolfgang Ketterle, ki naj bi si po zaslugi njega delil Nobelovo nagrado za fiziko leta 2001.

Da bi dosegli Bose-Einsteinov kondenzat, so se zatekli k vrsti eksperimentalnih tehnik atomske fizike, s katerimi jim je uspelo doseči temperaturo 0,00000002 stopinj Kelvina nad absolutno ničlo (temperatura precej nižja od najnižje temperature, opažene v vesolju). .

Eric Cornell in Carlo Weiman sta uporabila te tehnike na razredčenem plinu, sestavljenem iz atomov rubidija; Wolfgang Ketterle jih je kmalu zatem nanesel na natrijeve atome.

Bozoni

Ime bozon se uporablja v čast fizika rojenega v Indiji Satyendra Nath Bose. V fiziki delcev sta upoštevani dve osnovni vrsti elementarnih delcev: bozoni in ferminioni.

Kaj določa, ali je delec bozon ali fermion, ali je njegov spin celo število ali pol celo število. Navsezadnje so bozoni delci, ki so zadolženi za prenos sil medsebojnih vplivov med fermioni.

Samo bozonski delci imajo lahko takšno stanje kondenzata Bose-Einstein: če so ohlajeni delci fermioni, se to, kar dosežemo, imenuje Fermijeva tekočina.

To je tako, ker bozonom, za razliko od fermionov, ni treba izpolnjevati načela izključitve Paulija, ki pravi, da dva enaka delca ne moreta biti v istem kvantnem stanju hkrati.

Vsi atomi so isti atom

V kondenzatu Bose-Einsteina so vsi atomi popolnoma enaki. Na ta način je večina atomov v kondenzatu na isti kvantni ravni, spušča se na najnižjo možno energijsko raven.

Z delitvijo istega kvantnega stanja in vsi, ki imajo isto (minimalno) energijo, se atomi ne razlikujejo in se obnašajo kot en sam "super atom".

Lastnosti

Dejstvo, da imajo vsi atomi enake lastnosti, predvideva vrsto določenih teoretičnih lastnosti: atomi zasedajo enak volumen, razpršijo svetlobo iste barve in med drugimi značilnostmi se tvori homogen medij.

Te lastnosti so podobne lastnosti idealnega laserja, ki oddaja koherentno svetlobo (prostorsko in časovno), enotno, enobarvno, pri kateri so vsi valovi in ​​fotoni popolnoma enaki in se gibljejo v isti smeri, zato v idealnem primeru ne razpršiti.

Prijave

Možnosti, ki jih ponuja to novo stanje materije, je veliko, nekatere resnično neverjetne. Med trenutno ali v razvoju so najbolj zanimive aplikacije kondenzatov Bose-Einstein:

- Njegova uporaba skupaj z atomskimi laserji za ustvarjanje visoko preciznih nanostruktur.

- zaznavanje jakosti gravitacijskega polja.

- Izdelati natančnejše in stabilnejše atomske ure od tistih, ki trenutno obstajajo.

- Simulacije majhnega obsega za preučevanje nekaterih kozmoloških pojavov.

- Uporaba presežne tekočine in nadprevodnosti.

- aplikacije, ki izhajajo iz pojava, znanega kot počasna svetloba ali počasna svetloba; na primer pri teleportaciji ali na obetavnem področju kvantnega računanja.

- poglabljanje znanja kvantne mehanike, izvajanje kompleksnejših in nelinearnih eksperimentov ter preverjanje nekaterih nedavno formuliranih teorij. Kondenzati omogočajo ponovno ustvarjanje pojavov, ki se pojavljajo svetlobna leta v laboratorijih.

Kot je razvidno, lahko kondenzate Bose-Einstein uporabimo ne le za razvoj novih tehnik, temveč tudi za izboljšanje nekaterih tehnik, ki že obstajajo.

Ne zaman ponujajo veliko natančnost in zanesljivost, kar je mogoče zaradi njihove fazne koherencije v atomskem polju, ki omogoča velik nadzor nad časom in razdaljami.

Kondenzati Bose-Einstein bi lahko bili prav tako revolucionarni kot nekoč sam laser, saj imajo veliko skupnih lastnosti. Vendar pa se velika težava tega dogaja v temperaturi, pri kateri nastajajo ti kondenzati.

Težavnost je torej v tem, kako zapletena je pridobitev le-teh in njihovo drago vzdrževanje. Zaradi vseh teh razlogov je trenutno večina prizadevanj usmerjena predvsem v njegovo uporabo v temeljnih raziskavah.

Bose-Einstein kondenzati in kvantna fizika

Dokaz o obstoju kondenzatov Bose-Einstein je ponudil pomembno novo orodje za proučevanje novih fizikalnih pojavov na zelo raznolikih območjih.

Ni dvoma, da njegova skladnost na makroskopski ravni olajša proučevanje in razumevanje ter predstavitev zakonov kvantne fizike.

Vendar pa je dejstvo, da so temperature, ki so blizu absolutne nič, potrebne za dosego takšnega stanja, resna pomanjkljivost, da bi se iz svojih neverjetnih lastnosti izpopolnili.

Reference

1. Bose - Einsteinov kondenzat (drugi). Na Wikipediji. Pridobljeno 6. aprila 2018 z es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondenzira. (nd) V Wikipediji. Pridobljeno 6. aprila 2018 z en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell in Carl Wieman (1998). Kondenzati Bose-Einsteina, "Raziskave in znanost."
4. A. Cornell in CE Wieman (1998). "Bose - Einstein kondenzira". Znanstveni ameriški.
5. Boson (drugi). Na Wikipediji. Pridobljeno 6. aprila 2018 z es.wikipedia.org.
6. Boson (drugi). Na Wikipediji. Pridobljeno 6. aprila 2018 z en.wikipedia.org.