Bose-Einstein-kondensaat

Materie kan in verskeie aggregaattoestande gevind word, waaronder ons vaste stowwe, gasse en vloeistowwe vind; daar is egter ander tipes minder bekende toestande, waarvan een bekend staan ​​as Bose-Einstein kondensaat, wat deur baie chemici, wetenskaplikes en fisici as die vyfde toestand van materie beskou word.

In hierdie artikel gaan ons jou vertel wat die Bose-Einstein-kondensaat is, sy eienskappe, toepassings en nog baie meer.

Wat is die Bose-Einstein-kondensaat

'n Bose-Einstein-kondensaat (BEC) is 'n totale toestand van materie, soos die gewone toestande: gasvormig, vloeistof en vaste stof, maar Dit kom voor by uiters lae temperature, baie naby aan absolute nul.

Dit bestaan ​​uit deeltjies wat bosone genoem word, wat by hierdie temperature in die laagste energie-kwantumtoestand, bekend as die grondtoestand, woon. Albert Einstein het dit in 1924 voorspel nadat hy 'n referaat gelees het oor fotonstatistieke wat deur die Indiese fisikus Satyendra Bose aan hom gestuur is.

Dit is nie maklik om die temperature te verkry wat nodig is om Bose-Einstein-kondensate in die laboratorium te vorm nie, rede waarom dit tot 1995 nie moontlik was om die nodige tegnologie te hê nie. Daardie jaar het die Amerikaanse fisici Eric Cornell en Carl Wieman en die Duitse fisikus Wolfgang Ketterle daarin geslaag om die eerste Bose-Einstein-kondensate waar te neem. Die Colorado-wetenskaplikes het rubidium-87 gebruik, terwyl Keitel dit verkry het deur 'n hoogs verdunde gas van natriumatome.

Omdat hierdie eksperimente die deur oopgemaak het vir 'n nuwe studieveld van die eienskappe van materie, het Kettler, Cornell en Wieman die Nobelprys van 2001 ontvang. Dit is juis as gevolg van die uiters lae temperatuur dat gasatome met sekere eienskappe 'n geordende toestand vorm. alles waarvan slaag om dieselfde verminderde energie en momentum te verkry, wat nie in gewone materie gebeur nie.

sleutelkenmerke

Soos voorheen genoem, het materie nie net drie basiese toestande van vloeistof, vaste stof en gas nie, maar inteendeel, daar is 'n vierde en 'n vyfde toestand wat plasmaties en geïoniseer is. 'n Bose-Einstein-kondensaat is een van hierdie toestande en het verskeie kenmerke:

• Dit is 'n totale toestand wat bestaan ​​uit 'n versameling bosone wat elementêre deeltjies is.
• Dit word beskou as die vyfde toestand van aggregasie wat materiale kan aanneem.
• Dit is die eerste keer in 1995 waargeneem, so dit is redelik nuut.
• Dit het 'n kondensasieproses naby aan absolute nul.
• Dit is supervloeistof, wat beteken dit het die stof se vermoë om wrywing uit te skakel.
• Dit is supergeleidend en het geen elektriese weerstand nie.
• Dit staan ​​ook bekend as 'n kwantum-ysblokkie.

Oorsprong van die Bose-Einstein-kondensaat

Wanneer 'n gas in 'n houer ingesluit is, word die deeltjies waaruit die gas bestaan ​​normaalweg op 'n voldoende afstand van mekaar gehou dat daar baie min interaksie is, afgesien van die af en toe botsing met mekaar en met die wande van die houer. Vandaar word die bekende ideale gasmodel afgelei.

Die deeltjies is egter in permanente termiese roering, en die temperatuur is die deurslaggewende parameter vir die spoed: hoe hoër die temperatuur, hoe vinniger beweeg hulle. Alhoewel die spoed van elke deeltjie kan verskil, bly die gemiddelde spoed van die stelsel konstant by 'n gegewe temperatuur.

Die volgende belangrike feit is dat materie uit twee tipes deeltjies bestaan: fermione en bosone, wat deur hul spin (intrinsieke hoekmomentum) onderskei word, wat heeltemal kwantum van aard is. Elektrone is byvoorbeeld fermione met halfheelgetalspin, terwyl bosone heelgetalspinings het, wat hul statistiese gedrag anders maak.

Fermione hou daarvan om anders te wees en daarom gehoorsaam die Pauli-uitsluitingsbeginsel, waarvolgens twee fermione in 'n atoom nie dieselfde kwantumtoestand kan hê nie. Dit is die rede waarom die elektrone in verskillende atoomorbitale is en dus nie dieselfde kwantumtoestand beset nie.

Bosone, aan die ander kant, gehoorsaam nie die afstotingsbeginsel nie en het dus geen beswaar daarteen om dieselfde kwantumtoestand te beset nie. Die moeilike deel van die eksperiment is om die stelsel koel genoeg te hou sodat die de Broglie-golflengte hoog bly.

Die Colorado-wetenskaplikes het dit bereik deur gebruik te maak van 'n laserverkoelingstelsel wat behels dat atoommonsters reg van voor met ses laserstrale geslaan word, veroorsaak dat hulle skielik verlangsaam en sodoende hul termiese versteurings aansienlik verminder.

Die stadiger, koeler atome word in die magnetiese veld vasgevang, wat die vinniger atome toelaat om te ontsnap om die stelsel verder af te koel. Atome wat op hierdie manier ingeperk is, het dit reggekry om vir 'n kort tydjie 'n klein blop van die Bose-Einstein-kondensaat te vorm, wat lank genoeg geduur het om in 'n beeld opgeneem te word.

aansoeke

Een van die mees belowende toepassings van die Bose-Einstein-kondensaat is in die skepping van presisietoestelle vir die meting van tyd en die opsporing van gravitasiegolwe. Omdat die atome in 'n kondensaat as 'n enkele entiteit beweeg, is hulle baie meer akkuraat as konvensionele atoomhorlosies en kan dit gebruik word om tyd met ongekende akkuraatheid te meet.

Nog 'n aspek waar hierdie vyfde toestand van materie toegepas kan word, is in kwantumberekening, wat dit kan toelaat die skepping van rekenaars wat baie kragtiger en doeltreffender is as die huidige. Atome in 'n kondensaat kan gebruik word as kwantumbits, die basiese boustene van 'n kwantumrekenaar, en hul kwantum-eienskappe kan baie vinniger en meer akkurate berekeninge moontlik maak as moontlik met konvensionele rekenaars. Dit is hoekom daar deesdae baie oor kwantumrekenaars gepraat word.

Daarbenewens word die Bose-Einstein-kondensaat ook gebruik in materiaalfisika-navorsing en in die skepping van nuwe materiale met buitengewone eienskappe. Dit is byvoorbeeld gewoond daaraan skep supergeleidende materiale wat die elektroniese industrie kan rewolusie en laat die skepping van baie meer doeltreffende en kragtige toestelle toe.

Ek hoop dat jy met hierdie inligting meer kan leer oor die Bose-Einstein-kondensaat, sy eienskappe en toepassings.