Bose Einstein Condensate

Selitämme, mikä on Bose-Einstein-kondensaatti, sen alkuperä, ominaisuudet, miten se saadaan ja sen sovellukset

Kuvio 1.- Bose Einsteinin kondensaatissa matala lämpötilan bosoneja ylläpidetään kaikki alhaisimmassa energiatilassa. Lähde: f. Zapata

Mikä on Bose Einsteinin kondensaatti?

Bose Einsteinin kondensaatti (CBE) on aineen aggregaation tila, samoin kuin tavanomaiset tilat: kaasumainen, nestemäinen ja kiinteä, mutta joka tapahtuu erittäin alhaisissa lämpötiloissa, hyvin lähellä absoluuttista nollaa.

Se koostuu hiukkasista, joita kutsutaan bosoniksi, jotka näissä lämpötiloissa sijaitsee alemman energian kvanttitilassa, nimeltään Peruste. Albert Einstein ennusti tämän olosuhteen vuonna 1924 lukeessaan hindu fyysikon Satyendra Bosen lähettämiä teoksia fotonien tilastoista.

Laboratoriossa ei ole helppo saada tarvittavat lämpötilat Bose-Einstein-kondensaatin muodostumiseksi, joten jouduimme odottamaan vuoteen 1995 saakka, jotta saadaan tarvittava tekniikka.

Sinä vuonna amerikkalaiset fyysikot Eric Cornell ja Carl Wieman (Coloradon yliopisto) ja sitten saksalainen fyysikko Wolfgang Ketterle (MIT) onnistuivat tarkkailemaan Bose-Einsteinin ensimmäistä kondensaattia. Colorado-tutkijat käyttivät Rubidio-87: tä, kun taas Ketterle saavutti sen erittäin laimennetun natriumiatomien kaasun kautta.

Näiden kokeiden ansiosta, jotka avasivat ovet aiheen luonteen uusille tutkimusaloille, Ketterle, Cornell ja Wieman saivat Nobel -palkinnon vuonna 2001.

Ja se on, että erittäin matalat lämpötilat mahdollistavat, että tietyillä ominaisuuksilla varustetun kaasun atomit suoritetaan tällainen tila, että he onnistuvat hankkimaan kaiken saman vähentyneen energian ja liikkeen määrän, jota ei tapahdu tavallisessa aineessa.

Bose-Einstein-kondensaattiominaisuudet

Katsotaanpa Bose-Einstein-kondensaatin pääominaisuuksia:

• Bose-Einstein-kondensaattia tuotetaan kaasuissa, jotka koostuvat erittäin laimennettuista bosonic-atomeista.
• Kondensaatin atomit pysyvät samassa kvanttitilassa: perus- tai alhaisempi energiatila.
• Vaaditaan erittäin matalat lämpötilat, vain jonkin verran nanokellin absoluuttisen nollan yläpuolella. Mitä alhaisempi lämpötila, hiukkasten aaltokäyttäytyminen on yhä ilmeisempi.
• Periaatteessa Bose Einsteinin kondensaattitilaa ei ole luonteeltaan, koska tähän mennessä lämpötiloja ei ole havaittu alle 3 K.
• Joillakin CBE: llä on suprajohtavuus ja super liimaus, toisin sanoen vastustuksen puute virran läpäisemiselle ja viskositeettille.
• Lauhteen atomit, jotka ovat kaikki samassa kvantitilassa, esiintyvät niiden ominaisuuksien tasaisuus.

Se voi palvella sinua: yksidimensionaaliset aallot: matemaattinen ilmaisu ja esimerkit

Bose-Einstein-kondensaatin alkuperä

Kun säiliöön lukittu kaasu, yleensä hiukkaset, jotka muodostavat sen, pitävät tarpeeksi etäisyyttä toisistaan, vuorovaikutuksessa hyvin vähän, paitsi satunnaiset törmäykset niiden välillä ja säiliön seinien kanssa. Sieltä johdetaan hyvin tunnettu ihanteellinen kaasummalli.

Hiukkaset ovat kuitenkin pysyvässä lämmön sekoituksessa, ja lämpötila on ratkaiseva parametri, joka määrittelee nopeuden: korkeammassa lämpötilassa nopeampi siirto.

Ja vaikka kunkin hiukkasen nopeus voi vaihdella, järjestelmän keskimääräinen nopeus pysyy vakiona tietyssä lämpötilassa.

Fermionit ja bosonit

Seuraava tärkeä tosiasia on, että aine koostuu kahden tyyppisistä hiukkasista: fermioneista ja bosoneista, jotka on erotettu spinin (luontainen kulmavirta), täysin kvanttilaadusta.

Esimerkiksi elektroni on fermion puoliksi seisovan spinin kanssa, kun taas bosoneilla on koko spin, mikä tekee heidän tilastollisesta käytöksestä erilaisen.

Fermionit haluavat olla erilaisia ​​ja noudattaa siksi Paulin poissulkemisperiaatetta, jonka mukaan atomisessa ei voi olla kaksi fermiota samalla kvantitilalla. Siksi elektronit sijaitsevat erilaisissa atomi -kiertoradaissa eivätkä siten vie samaa kvanttitilaa.

Toisaalta, Bosons ei noudata syrjäytymisen periaatetta, joten heillä ei ole haittaa käyttää samaa kvanttitilaa.

Aineen kaksoisluonne

Toinen keskeinen tosiasia CBE: n ymmärtämisessä on aineen kaksoisluonne: aalto ja hiukkas samanaikaisesti.

Sekä fermionit että bosonit voidaan kuvata aaltona tietyn avaruuden jatkeen kanssa. Aallonpituus λ tästä aalto liittyy siihen vauhti tai liikkeen määrä p, De Broglien yhtälön kautta:

Voi palvella sinua: sähköodynamiikka

Missä H on Planckin vakio, jonka arvo on 6 62607015 × 10^{-3. 4} J -.s.

Korkeissa lämpötiloissa lämpöhäiriöt hallitsevat, mikä tarkoittaa, että vauhti p on suuri ja aallonpituus λ on pieni. Atomit osoittavat siten niiden ominaisuudet hiukkasina.

Mutta kun lämpötila laskeutuu, lämmön levottomuus vähenee ja sen myötä aallonpituus kasvaa ja aaltoilevat ominaisuudet vallitsevat. Siten hiukkaset lakkaavat sijasta, koska vastaavat aallot lisäävät niiden kokoa ja päällekkäisiä keskenään.

On tietty kriittinen lämpötila, jonka alla bosonit päätyvät perustilaan, joka on valtio, jolla on alhaisin energia (se ei ole 0). Silloin kondensaatio tapahtuu.

Tuloksena on, että bosonic -atomit eivät ole enää erotettavissa ja järjestelmästä tulee eräänlainen superatomi, joka on kuvattu yhden aaltofunktion avulla. Se vastaa sen näkemistä voimakkaan lisäosin linssin kautta, jonka kanssa voit nähdä sen yksityiskohdat.

Kuinka saat kondensaatin?

Kokeen vaikeus on järjestelmän pitäminen riittävän alhaisissa lämpötiloissa, joten De Broglie'n aallonpituus pysyy korkealla.

Colorado -tutkijat saavuttivat sen laserjäähdytysjärjestelmän kautta, joka koostuu atomin näytteen osumisesta kuuden laservalopalkin avulla pysäyttämään ne jyrkästi ja vähentävät siten rajusti niiden lämpöhäiriöitä.

Sitten magneettikentällä oli kylmempi ja hitaampia atomeja, jolloin järjestelmä jäähdyttää nopeimmin edelleen.

Voi palvella sinua: Kirchhoff -lait Kuva 2.- RB -atomien nopeusjakauma CBE: ssä. Valkoinen piikki edustaa eniten atomien lukumäärää, arvioidun nopeuden 0 ollessa 0.5 mm/s. Lähde: Wikimedia Commons.

Tällä tavalla rajoitetut atomit onnistuivat muodostamaan hetkeksi pienen tippan CBE: tä, joka kesti tarpeeksi aikaa tallentaakseen kuvaan.

Sovellukset ja esimerkit

CBE -sovellukset ovat tällä hetkellä täysin kehitteillä ja viettävät silti jonkin aikaa ennen.

Kvanttilaskenta

Kvanttitietokoneiden johdonmukaisuuden ylläpitäminen ei ole helppo tehtävä, joten CBE: tä on ehdotettu keinona ylläpitää tiedonvaihtoa yksittäisten kvanttitietokoneiden välillä.

Valonopeuden vähentäminen

Syytön valon nopeus on luonteeltaan vakio, vaikka sen arvo muissa väliaineissa, kuten vedessä, voi olla erilainen.

CBE: n ansiosta on mahdollista vähentää suurelta osin valon nopeutta, jopa 17 m/s, joidenkin kokeiden mukaan. Tämä on jotain, joka antaa paitsi syventyä vielä enemmän valon luonteen tutkimuksessa, vaan sen käyttö kvanttilaskennassa tiedon tallentamiseen.

Atomilliset kellot ovat erittäin tarkkuus

Kylmät atomit sallivat suuren tarkkuuden atomikellojen luomisen, jotka kokevat vähimmäisviiveitä pitkään, miljoonien vuosien luokkaa, erittäin hyödyllisiä ominaisuuksia GPS -järjestelmien synkronoidessa.

Kosmologisten prosessien simulointi

Kondensaatissa syntyvät atomivoimat voivat auttaa simuloimaan olosuhteita, joissa fyysisiä prosesseja esiintyy joissakin universumin merkittävissä esineissä, kuten neutronitähdet ja mustat aukot.

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikkaan ja tieteisiin. Osa 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kemia. Yhdestoista painos. McGraw Hill -koulutus.
3. Maaransili. Viisi aineen osavaltiota. Toipunut: Landsil.com.
4. Qubit -raportti. Bose-Einstein-kondensaatin muodostumisen nopeus lisääntyi, muodostumismenetelmä yksinkertaistettu. Haettu: QubitReport.com.
5. Tipler, P. 2008. Moderni fysiikka. Viides. Muokata. W -. H. Freeman & Company.