تكاثف بوز-آينشتاين

يمكن العثور على المادة في حالات تجميعية مختلفة ، من بينها نجد المواد الصلبة والغازات والسوائل ؛ ومع ذلك ، هناك أنواع أخرى من الحالات الأقل شهرة ، تُعرف إحداها باسم مكثف بوز-آينشتاين، التي يعتبرها العديد من الكيميائيين والعلماء والفيزيائيين الحالة الخامسة للمادة.

في هذه المقالة سوف نخبرك ما هو مكثف بوز-آينشتاين ، وخصائصه ، وتطبيقاته ، وأكثر من ذلك بكثير.

ما هو مكثف بوز-آينشتاين

مكثف بوز-آينشتاين (BEC) هو حالة مجمعة للمادة ، مثل الحالات المعتادة: الغازية والسائلة والصلبة ، ولكن يحدث في درجات حرارة منخفضة للغاية ، قريبة جدًا من الصفر المطلق.

يتكون من جسيمات تسمى البوزونات ، في درجات الحرارة هذه ، توجد في أدنى حالة كمومية للطاقة تُعرف بالحالة الأرضية. تنبأ ألبرت أينشتاين بهذا في عام 1924 بعد قراءة ورقة بحثية عن إحصائيات الفوتون أرسلها إليه الفيزيائي الهندي ساتيندرا بوس.

ليس من السهل الحصول على درجات الحرارة اللازمة لتكوين مكثفات بوز-آينشتاين في المختبر ، سبب عدم إمكانية الحصول على التكنولوجيا اللازمة حتى عام 1995. في ذلك العام ، تمكن الفيزيائيان الأمريكيان إريك كورنيل وكارل وايمان والفيزيائي الألماني فولفجانج كيتيرل من مراقبة أول مكثفات بوز-آينشتاين. استخدم علماء كولورادو الروبيديوم 87 ، بينما حصل عليه Keitel من خلال غاز مخفف للغاية من ذرات الصوديوم.

نظرًا لأن هذه التجارب فتحت الباب أمام مجال جديد لدراسة خصائص المادة ، فقد حصل Kettler و Cornell و Wieman على جائزة نوبل لعام 2001. وبسبب درجة الحرارة المنخفضة للغاية ، تشكل ذرات الغاز ذات الخصائص المعينة حالة منظمة ، كلها تمكنوا من الحصول على نفس الطاقة والزخم المنخفضين، وهو ما لا يحدث في الأمور العادية.

الملامح الرئيسية

كما ذكرنا سابقًا ، لا تحتوي المادة فقط على ثلاث حالات أساسية من السائل والصلب والغاز ، بل على العكس من ذلك ، هناك حالة رابعة وخامسة بلازمية ومتأينة. يُعد تكثيف بوز-آينشتاين أحد هذه الحالات وله عدة خصائص:

• إنها حالة كلية تتكون من مجموعة من البوزونات وهي جسيمات أولية.
• تعتبر الحالة الخامسة للتجميع التي يمكن أن تتحملها المواد.
• شوهد لأول مرة في عام 1995 ، لذا فهو جديد تمامًا.
• لديها عملية تكثيف قريبة من الصفر المطلق.
• إنه سائل فائق ، مما يعني أن لديه قدرة المادة على القضاء على الاحتكاك.
• إنها فائقة التوصيل ولديها مقاومة كهربائية صفرية.
• يُعرف أيضًا باسم مكعب الجليد الكمي.

أصل مكثف بوز-آينشتاين

عندما يتم وضع غاز في حاوية ، عادة ما يتم الاحتفاظ بالجسيمات التي يتكون منها الغاز على مسافة كافية من بعضها البعض بحيث يكون هناك تفاعل ضئيل للغاية ، بصرف النظر عن الاصطدام العرضي مع بعضها البعض ومع جدران الحاوية. ومن هنا اشتُق نموذج الغاز المثالي المعروف.

ومع ذلك ، فإن الجسيمات في حالة اهتياج حراري دائم ، ودرجة الحرارة هي العامل الحاسم للسرعة: كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت سرعة تحركها. على الرغم من أن سرعة كل جسيم يمكن أن تختلف ، إلا أن متوسط ​​سرعة النظام يظل ثابتًا عند درجة حرارة معينة.

الحقيقة المهمة التالية هي أن المادة تتكون من نوعين من الجسيمات: الفرميونات والبوزونات ، وتتميزان بدورهما (الزخم الزاوي الجوهري) ، وهي كمية بطبيعتها. على سبيل المثال ، الإلكترونات هي الفرميونات ذات الدوران نصف الصحيح ، بينما البوزونات لها عدد صحيح يدور ، مما يجعل سلوكها الإحصائي مختلفًا.

تحب الفرميونات أن تكون مختلفة وبالتالي الالتزام بمبدأ استبعاد باولي، وفقًا لفرميونين في الذرة لا يمكن أن يكون لهما نفس الحالة الكمومية. هذا هو سبب وجود الإلكترونات في مدارات ذرية مختلفة وبالتالي لا تشغل نفس الحالة الكمومية.

من ناحية أخرى ، لا تخضع البوزونات لمبدأ التنافر ، وبالتالي ليس لديها اعتراض على احتلال نفس الحالة الكمومية. الجزء الصعب من التجربة هو الحفاظ على النظام باردًا بدرجة كافية بحيث يظل الطول الموجي لـ De Broglie مرتفعًا.

أنجز علماء كولورادو هذا باستخدام نظام تبريد بالليزر يتضمن ضرب العينات الذرية مباشرة بستة أشعة ليزر ، مما يؤدي إلى إبطاء سرعتها فجأة وبالتالي تقليل اضطراباتها الحرارية بشكل كبير.

يتم احتجاز الذرات الأبطأ والأبرد في المجال المغناطيسي ، مما يسمح للذرات الأسرع بالهروب لزيادة تبريد النظام. تمكنت الذرات المحصورة بهذه الطريقة من تكوين فقاعة صغيرة من مكثف بوز-آينشتاين لفترة قصيرة ، والتي استمرت لفترة كافية ليتم تسجيلها في صورة.

التطبيقات

أحد أكثر التطبيقات الواعدة لمكثفات بوز-آينشتاين موجود في ابتكار أجهزة دقيقة لقياس الوقت وكشف موجات الجاذبية. نظرًا لأن الذرات الموجودة في الكُثافة تتحرك ككيان واحد ، فهي أكثر دقة بكثير من الساعات الذرية التقليدية ويمكن استخدامها لقياس الوقت بدقة غير مسبوقة.

جانب آخر حيث يمكن تطبيق هذه الحالة الخامسة للمادة هو الحوسبة الكمومية ، والتي يمكن أن تسمح بذلك إنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة وكفاءة من الأجهزة الحالية. يمكن استخدام الذرات الموجودة في المكثفات كوحدات كيوبت ، وهي اللبنات الأساسية للحاسوب الكمومي ، ويمكن أن تتيح خصائصها الكمومية عمليات حسابية أسرع وأكثر دقة مما هو ممكن مع أجهزة الكمبيوتر التقليدية. هذا هو سبب وجود الكثير من الحديث عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه الأيام.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام مكثف بوز-آينشتاين أيضًا في أبحاث فيزياء المواد وفي إنشاء مواد جديدة ذات خصائص غير عادية. على سبيل المثال ، تم استخدامه ل إنتاج مواد فائقة التوصيل يمكن أن تحدث ثورة في صناعة الإلكترونيات والسماح بإنشاء أجهزة أكثر كفاءة وقوة.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن مكثف بوز-آينشتاين وخصائصه وتطبيقاته.