BOSE-EINSTEIN KONDENSAT: EGENSKABER OG ANVENDELSER - FYSISK - 2025

Den Bose-Einstein-kondensat er en tilstand af stof, der forekommer i visse partikler ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt. I lang tid troede man, at de eneste tre mulige tilstande af aggregering af stof var fast, flydende og gas.

Derefter blev den fjerde tilstand opdaget: plasmaet; og Bose-Einstein-kondensatet betragtes som den femte stat. Den karakteristiske egenskab er, at partiklerne i kondensatet opfører sig som et stort kvantesystem snarere end som de normalt gør (som et sæt individuelle kvantesystemer eller som en gruppering af atomer).

Med andre ord kan det siges, at hele det sæt atomer, der udgør Bose-Einstein-kondensatet, opfører sig som om det var et enkelt atom.

Oprindelse

Ligesom mange af de nyere videnskabelige opdagelser, blev kondensatets eksistens teoretisk fundet, før der var empirisk bevis for dets eksistens.

Det var således Albert Einstein og Satyendra Nath Bose, som teoretisk forudsagde dette fænomen i en fælles publikation i 1920'erne. De gjorde det først for fotoner og derefter for hypotetiske gasformige atomer.

Demonstrationen af ​​dens virkelige eksistens var først muligt for et par årtier siden, hvor det var muligt at afkøle en prøve til temperaturer, der var lave nok til at verificere, at hvad de forventede ligninger var sandt.

Satyendra Nath Bose

Indhentning

Bose-Einstein-kondensatet blev opnået i 1995 af Eric Cornell, Carlo Wieman og Wolfgang Ketterle, der takket være det endte med at dele Nobelprisen i fysik i 2001.

For at opnå kondensatet brugte Bose-Einstein en række eksperimentelle teknikker med atomfysik, hvormed det lykkedes dem at nå en temperatur på 0,00000002 grader Kelvin over absolut nul (en temperatur langt lavere end den laveste temperatur observeret i det ydre rum).

Eric Cornell og Carlo Weiman brugte disse teknikker på en fortyndet gas bestående af rubidiumatomer; på sin side anvendte Wolfgang Ketterle dem kort efterpå på natriumatomer.

bosoner

Navnet boson bruges til ære for den indiskfødte fysiker Satyendra Nath Bose. To basistyper af elementære partikler betragtes som partikelfysik: bosoner og ferminioner.

Det, der bestemmer, om en partikel er en boson eller en fermion, er, om dens spin er heltal eller halvt heltal. I sidste ende er bosoner de partikler, der er ansvarlige for at overføre kræfterne i interaktion mellem fermioner.

Kun bosoniske partikler kan have denne tilstand af Bose-Einstein-kondensat: hvis de partikler, der afkøles, er fermioner, kaldes det, der opnås, en Fermi-væske.

Dette skyldes, at bosoner, i modsætning til fermioner, ikke behøver at opfylde Pauli-ekskluderingsprincippet, som siger, at to identiske partikler ikke kan være i den samme kvantetilstand på samme tid.

Alle atomer er det samme atom

I et Bose-Einstein-kondensat er alle atomer absolut ens. På denne måde er de fleste af atomerne i kondensatet på det samme kvantniveau, der falder til det lavest mulige energiniveau.

Ved at dele denne samme kvantetilstand og alle have den samme (minimum) energi, er atomerne ikke skelnen og opfører sig som et enkelt "superatom".

Ejendomme

At alle atomer har identiske egenskaber antager en række af visse teoretiske egenskaber: Atomerne besidder det samme volumen, spreder lys af den samme farve og et homogent medium udgør blandt andre egenskaber.

Disse egenskaber ligner dem med den ideelle laser, der udsender et sammenhængende lys (rumligt og midlertidigt), ensartet, monokromatisk, hvor alle bølger og fotoner er absolut lige og bevæger sig i samme retning, og derfor ideelt set ikke sprede.

Applikationer

Mulighederne ved denne nye sagsstil er mange, nogle virkelig fantastiske. Blandt de nuværende eller under udvikling er de mest interessante anvendelser af Bose-Einstein kondensater følgende:

- Dets brug sammen med atomlasere til at skabe nanokonstruktioner med høj præcision.

- Påvisning af intensiteten af ​​tyngdefeltet.

- Fremstil mere præcise og stabile atomure end dem, der i øjeblikket findes.

- Simuleringer i lille skala til undersøgelse af visse kosmologiske fænomener.

- Anvendelser af superfluiditet og superledningsevne.

- Applikationer afledt af fænomenet kendt som langsomt lys eller langsomt lys; for eksempel i teleportering eller i det lovende felt inden for kvanteberegning.

- Uddybning af viden om kvantemekanik, udførelse af mere komplekse og ikke-lineære eksperimenter samt verifikation af visse nyligt formulerede teorier. Kondensater giver mulighed for at genskabe fænomener, der forekommer lysår væk i laboratorier.

Som det kan ses, kan Bose-Einstein-kondensater ikke kun bruges til at udvikle nye teknikker, men også til at forfine nogle allerede eksisterende teknikker.

Ikke forgæves tilbyder de stor præcision og pålidelighed, hvilket er muligt på grund af deres fasesammenhæng i atomområdet, hvilket letter stor kontrol over tid og afstande.

Derfor kunne Bose-Einstein-kondensater være lige så revolutionerende som selve laseren engang, da de har mange egenskaber til fælles. Imidlertid ligger det store problem for dette at ske i temperaturen, hvormed disse kondensater produceres.

Sværhedsgraden ligger således både i, hvor kompliceret det er at få dem og i deres dyre vedligeholdelse. Af alle disse grunde er de fleste indsatser i øjeblikket hovedsageligt koncentreret om dens anvendelse på grundlæggende forskning.

Bose-Einstein kondenserer og kvantefysik

Demonstrationen af ​​eksistensen af ​​Bose-Einstein-kondensater har tilbudt et vigtigt nyt værktøj til at studere nye fysiske fænomener i meget forskellige områder.

Der er ingen tvivl om, at dens kohærens på makroskopisk niveau letter både studiet og forståelsen og demonstrationen af ​​kvantefysikens love.

Det faktum, at temperaturer tæt på absolut nul er nødvendige for at opnå denne materielle tilstand, er en alvorlig ulempe for at få mere ud af dets utrolige egenskaber.

Referencer

1. Bose - Einstein kondensat (nd). På Wikipedia. Hentet den 6. april 2018 fra es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondenseret. (nd) På Wikipedia. Hentet den 6. april 2018 fra en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell og Carl Wieman (1998). Bose-Einstein kondensater, "Forskning og videnskab."
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Bose - Einstein kondensat". Videnskabelig amerikansk.
5. Boson (nd). På Wikipedia. Hentet den 6. april 2018 fra es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). På Wikipedia. Hentet den 6. april 2018 fra en.wikipedia.org.