BOSE-EINSTEIN KONDENSAT: EGENSKAPER OCH APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den Bose-Einstein-kondensat är ett tillstånd av materia som förekommer i vissa partiklar vid temperaturer nära absoluta nollpunkten. Under lång tid trodde man att de enda tre möjliga tillstånden för aggregering av materia var fast, flytande och gas.

Sedan upptäcktes det fjärde tillståndet: plasmaet; och Bose-Einstein-kondensatet anses vara den femte staten. Den karakteristiska egenskapen är att partiklarna i kondensatet uppträder som ett stort kvantsystem snarare än som de vanligtvis gör (som en uppsättning av enskilda kvantsystem eller som en gruppering av atomer).

Med andra ord kan man säga att hela uppsättningen atomer som utgör Bose-Einstein-kondensatet uppför sig som om det var en enda atom.

Ursprung

Liksom många av de nyare vetenskapliga upptäckterna drogs kondensatets existens teoretiskt ut innan det fanns empiriska bevis på dess existens.

Således var det Albert Einstein och Satyendra Nath Bose som teoretiskt förutspådde detta fenomen i en gemensam publikation på 1920-talet. De gjorde det först för fallet med fotoner och sedan för hypotetiska gasatomer.

Demonstrationen av dess verkliga existens hade inte varit möjlig för några decennier sedan, då det var möjligt att kyla ett prov till temperaturer tillräckligt låga för att verifiera att vad ekvationerna som förväntades var sant.

Satyendra Nath Bose

Erhållande

Bose-Einstein-kondensatet erhölls 1995 av Eric Cornell, Carlo Wieman och Wolfgang Ketterle som, tack vare det, skulle komma att dela 2001 Nobelpriset i fysik.

För att uppnå Bose-Einstein-kondensatet använde de sig till en serie experimentella tekniker för atomfysik, med vilka de lyckades nå en temperatur på 0,00000002 grader Kelvin över absolut noll (en temperatur mycket lägre än den lägsta temperaturen som observerades i yttre rymden). .

Eric Cornell och Carlo Weiman använde dessa tekniker på en utspädd gas bestående av rubidiumatomer; för hans del applicerade Wolfgang Ketterle dem kort därefter på natriumatomer.

bosoner

Namnet boson används för att hedra den indianfödda fysikern Satyendra Nath Bose. Två grundläggande typer av elementära partiklar beaktas i partikelfysik: bosoner och ferminioner.

Det som avgör om en partikel är en boson eller en fermion är om dess snurr är heltal eller halva heltal. I slutändan är bosoner partiklarna som ansvarar för att överföra krafter i växelverkan mellan fermioner.

Endast bosoniska partiklar kan ha detta tillstånd av Bose-Einstein-kondensat: om partiklarna som kyls är fermioner kallas det som uppnås en Fermi-vätska.

Detta beror på att bosoner, till skillnad från fermioner, inte behöver uppfylla Pauli-uteslutningsprincipen, som säger att två identiska partiklar inte kan vara i samma kvanttillstånd på samma gång.

Alla atomer är samma atom

I ett Bose-Einstein-kondensat är alla atomer absolut desamma. På detta sätt är de flesta atomerna i kondensatet på samma kvantnivå och faller till lägsta möjliga energinivå.

Genom att dela samma kvanttillstånd och alla som har samma (minsta) energi är atomerna oskiljbara och uppför sig som en enda "superatom".

Egenskaper

Det faktum att alla atomer har identiska egenskaper förutsätter en serie av vissa teoretiska egenskaper: atomerna upptar samma volym, de sprider ljus med samma färg och ett homogent medium bildas, bland andra egenskaper.

Dessa egenskaper liknar de hos den ideala lasern, som avger ett sammanhängande ljus (rumsligt och tillfälligt), likformig, monokromatiskt, där alla vågor och fotoner är absolut lika och rör sig i samma riktning, och därför idealiskt inte skingra.

tillämpningar

Möjligheterna med detta nya ämne är många, vissa verkligen fantastiska. Bland de nuvarande eller under utveckling är de mest intressanta tillämpningarna av Bose-Einstein kondensat följande:

- Dess användning tillsammans med atomlasrar för att skapa nanokonstruktioner med hög precision.

- Upptäckt av gravitationsfältets intensitet.

- Tillverkare mer exakta och stabila atomklockor än de som för närvarande finns.

- Småskaliga simuleringar för att studera vissa kosmologiska fenomen.

- Tillämpningar av överflödighet och supraledningsförmåga.

- Applikationer härrörande från fenomenet känt som långsamt ljus eller långsamt ljus; till exempel i teleportering eller i det lovande fältet för kvantberäkning.

- Fördjupning av kunskapen om kvantmekanik, genomförande av mer komplexa och icke-linjära experiment samt verifiering av vissa nyligen formulerade teorier. Kondensat erbjuder möjligheten att återskapa fenomen som förekommer ljusår bort i laboratorier.

Som kan ses kan Bose-Einstein-kondensat användas inte bara för att utveckla nya tekniker, utan också för att förfina vissa tekniker som redan finns.

Inte förgäves erbjuder de stor precision och tillförlitlighet, vilket är möjligt på grund av deras faskoherens i atomfältet, vilket underlättar stor kontroll över tid och avstånd.

Därför kan Bose-Einstein-kondensat vara lika revolutionerande som själva lasern var, eftersom de har många gemensamma egenskaper. Det stora problemet för detta att hända ligger emellertid i temperaturen vid vilken dessa kondensat produceras.

Svårigheten ligger således både i hur komplicerat det är att få dem och i deras kostsamma underhåll. Av alla dessa skäl är för närvarande de flesta ansträngningar huvudsakligen inriktade på dess tillämpning på grundforskning.

Bose-Einstein kondenserar och kvantfysik

Demonstrationen av förekomsten av Bose-Einstein-kondensat har erbjudit ett viktigt nytt verktyg för att studera nya fysiska fenomen på mycket olika områden.

Det råder ingen tvekan om att dess koherens på makroskopisk nivå underlättar både studien och förståelsen och demonstrationen av kvantfysikens lagar.

Det faktum att temperaturer nära absolut noll är nödvändiga för att uppnå detta tillstånd är en allvarlig nackdel för att få mer ut av dess otroliga egenskaper.

referenser

1. Bose - Einstein kondensat (nd). På Wikipedia. Hämtad den 6 april 2018 från es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondenserar. (nd) På Wikipedia. Hämtad den 6 april 2018 från en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell och Carl Wieman (1998). Bose-Einstein kondensater, "forskning och vetenskap."
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Bose - Einstein kondensat". Scientific American.
5. Boson (nd). På Wikipedia. Hämtad den 6 april 2018 från es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). På Wikipedia. Hämtad den 6 april 2018 från en.wikipedia.org.