KONDENSAT BOSEGO-EINSTEINA: WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Skroplin Bose-Einsteina jest stan skupienia materii, która występuje w pewnych cząstek w temperaturze bliskiej zera absolutnego. Przez długi czas uważano, że jedynymi możliwymi trzema stanami skupienia materii są ciało stałe, ciecz i gaz.

Wtedy odkryto czwarty stan: plazmę; a kondensat Bosego-Einsteina jest uważany za stan piąty. Charakterystyczną właściwością jest to, że cząstki w kondensacie zachowują się raczej jak duży układ kwantowy niż zwykle (jako zbiór pojedynczych układów kwantowych lub jako grupa atomów).

Innymi słowy, można powiedzieć, że cały zestaw atomów tworzących kondensat Bosego-Einsteina zachowuje się tak, jakby był pojedynczym atomem.

Pochodzenie

Podobnie jak w przypadku wielu nowszych odkryć naukowych, istnienie kondensatu zostało teoretycznie wydedukowane, zanim pojawiły się jakiekolwiek empiryczne dowody jego istnienia.

Tak więc to Albert Einstein i Satyendra Nath Bose teoretycznie przepowiedzieli to zjawisko we wspólnej publikacji w latach 20. XX w. Zrobili to najpierw w przypadku fotonów, a następnie w przypadku hipotetycznych atomów gazowych.

Wykazanie jego prawdziwego istnienia było możliwe dopiero kilkadziesiąt lat temu, kiedy można było schłodzić próbkę do temperatury wystarczająco niskiej, aby zweryfikować, czy to, co przewidywane równania, było prawdą.

Satyendra Nath Bose

Otrzymywanie

Kondensat Bosego-Einsteina został uzyskany w 1995 roku przez Erica Cornella, Carlo Wiemana i Wolfganga Ketterle, którzy dzięki niemu otrzymali w 2001 roku Nagrodę Nobla z fizyki.

Aby uzyskać kondensat, Bose-Einstein zastosował szereg eksperymentalnych technik atomowych, dzięki którym udało im się osiągnąć temperaturę 0,00000002 stopni Kelvina powyżej zera bezwzględnego (temperaturę znacznie niższą niż najniższa temperatura obserwowana w przestrzeni kosmicznej) .

Eric Cornell i Carlo Weiman zastosowali te techniki na rozcieńczonym gazie składającym się z atomów rubidu; ze swojej strony Wolfgang Ketterle zastosował je wkrótce potem na atomach sodu.

Bozony

Nazwa bozon jest używana na cześć urodzonego w Indiach fizyka Satyendry Natha Bosego. W fizyce cząstek rozważane są dwa podstawowe typy cząstek elementarnych: bozony i ferminiony.

To, czy cząstka jest bozonem, czy fermionem, decyduje o tym, czy jej spin jest liczbą całkowitą, czy połową. Ostatecznie bozony są cząstkami odpowiedzialnymi za przekazywanie sił interakcji między fermionami.

Tylko cząstki bozonowe mogą mieć taki stan kondensatu Bosego-Einsteina: jeśli chłodzone cząstki są fermionami, uzyskuje się to, co nazywa się cieczą Fermiego.

Dzieje się tak, ponieważ bozony, w przeciwieństwie do fermionów, nie muszą spełniać zasady wykluczenia Pauliego, która mówi, że dwie identyczne cząstki nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym w tym samym czasie.

Wszystkie atomy to ten sam atom

W kondensacie Bosego-Einsteina wszystkie atomy są absolutnie takie same. W ten sposób większość atomów w kondensacie znajduje się na tym samym poziomie kwantowym, schodząc do najniższego możliwego poziomu energii.

Dzieląc ten sam stan kwantowy i posiadając tę ​​samą (minimalną) energię, atomy są nie do odróżnienia i zachowują się jak pojedynczy „superatom”.

Nieruchomości

Fakt, że wszystkie atomy mają identyczne właściwości, zakłada szereg pewnych właściwości teoretycznych: atomy zajmują tę samą objętość, rozpraszają światło o tej samej barwie i tworzy się jednorodny ośrodek.

Właściwości te są podobne do właściwości idealnego lasera, który emituje światło spójne (przestrzennie i czasowo), jednolite, monochromatyczne, w którym wszystkie fale i fotony są absolutnie równe i poruszają się w tym samym kierunku, a więc idealnie nie znikać.

Aplikacje

Możliwości, jakie daje ten nowy stan materii, jest wiele, niektóre są naprawdę niesamowite. Spośród obecnych lub w fazie rozwoju do najciekawszych zastosowań kondensatów Bosego-Einsteina należą:

- Jego zastosowanie razem z laserami atomowymi do tworzenia wysoce precyzyjnych nanostruktur.

- Wykrywanie natężenia pola grawitacyjnego.

- Produkcja bardziej precyzyjnych i stabilnych zegarów atomowych niż te, które istnieją obecnie.

- Symulacje w małej skali do badania niektórych zjawisk kosmologicznych.

- Zastosowania nadciekłości i nadprzewodnictwa.

- Aplikacje wywodzące się ze zjawiska znanego jako wolne światło lub wolne światło; na przykład w teleportacji lub w obiecującej dziedzinie obliczeń kwantowych.

- Pogłębienie wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej, przeprowadzanie bardziej złożonych i nieliniowych eksperymentów, a także weryfikacja niektórych niedawno sformułowanych teorii. Kondensaty dają możliwość odtworzenia zjawisk zachodzących lata świetlne w laboratoriach.

Jak widać, kondensaty Bosego-Einsteina można wykorzystać nie tylko do opracowania nowych technik, ale także do udoskonalenia niektórych już istniejących.

Nie na próżno oferują one dużą precyzję i niezawodność, co jest możliwe dzięki ich spójności fazowej w polu atomowym, co pozwala na doskonałą kontrolę czasu i odległości.

Dlatego kondensaty Bosego-Einsteina mogą być tak rewolucyjne, jak kiedyś sam laser, ponieważ mają wiele wspólnych właściwości. Jednak duży problem, aby tak się stało, leży w temperaturze, w której wytwarzane są te kondensaty.

Zatem trudność polega zarówno na tym, jak skomplikowane jest ich uzyskanie, jak i na kosztownym ich utrzymaniu. Z tych wszystkich powodów obecnie większość wysiłków koncentruje się głównie na jego zastosowaniu w badaniach podstawowych.

Kondensaty Bosego-Einsteina i fizyka kwantowa

Wykazanie istnienia kondensatów Bosego-Einsteina dostarczyło ważnego nowego narzędzia do badania nowych zjawisk fizycznych w bardzo zróżnicowanych obszarach.

Nie ulega wątpliwości, że jego spójność na poziomie makroskopowym ułatwia zarówno badanie, jak i zrozumienie i demonstrację praw fizyki kwantowej.

Jednak fakt, że temperatury bliskie zera absolutnego są niezbędne, aby osiągnąć ten stan skupienia, jest poważną wadą, aby lepiej wykorzystać jego niesamowite właściwości.

Bibliografia

1. Kondensat Bosego - Einsteina (nd). Na Wikipedii. Pobrane 6 kwietnia 2018 r. Z es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondensuje. (nd) W Wikipedii. Pobrane 6 kwietnia 2018 r. Z en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell i Carl Wieman (1998). Kondensaty Bosego-Einsteina, „Badania i nauka”.
4. A. Cornell i CE Wieman (1998). „Kondensat Bosego-Einsteina”. Amerykański naukowiec.
5. Bozon (nd). Na Wikipedii. Pobrane 6 kwietnia 2018 r. Z es.wikipedia.org.
6. Bozon (nd). Na Wikipedii. Pobrane 6 kwietnia 2018 r. Z en.wikipedia.org.