Materija se može naći u različitim agregatnim stanjima, među kojima nalazimo čvrste materije, gasove i tečnosti; međutim, postoje i drugi tipovi manje poznatih stanja, od kojih je jedno poznato kao Bose-Einstein kondenzat, koji mnogi hemičari, naučnici i fizičari smatraju petim agregatnim stanjem materije.
U ovom članku ćemo vam reći što je Bose-Einstein kondenzat, njegove karakteristike, primjenu i još mnogo toga.
Šta je Bose-Einstein kondenzat
Bose-Einstein kondenzat (BEC) je agregatno stanje materije, poput uobičajenih stanja: gasovito, tečno i čvrsto, ali Javlja se na ekstremno niskim temperaturama, vrlo blizu apsolutne nule.
Sastoji se od čestica zvanih bozoni koji se na ovim temperaturama nalaze u kvantnom stanju najniže energije poznatom kao osnovno stanje. Albert Ajnštajn je ovo predvideo 1924. godine nakon što je pročitao rad o statistici fotona koji mu je poslao indijski fizičar Satyendra Bose.
Nije lako dobiti temperature potrebne za formiranje Bose-Einstein kondenzata u laboratoriji, razlog zašto do 1995. godine nije bilo moguće imati potrebnu tehnologiju. Te godine su američki fizičari Eric Cornell i Carl Wieman i njemački fizičar Wolfgang Ketterle uspjeli uočiti prve Bose-Einstein kondenzate. Naučnici iz Kolorada koristili su rubidijum-87, dok ga je Keitel dobio kroz veoma razblažen gas atoma natrijuma.
Budući da su ovi eksperimenti otvorili vrata novom polju proučavanja svojstava materije, Kettler, Cornell i Wieman su dobili Nobelovu nagradu 2001. Upravo zbog ekstremno niske temperature atomi plina s određenim svojstvima formiraju uređeno stanje, sve to uspjeti steći istu smanjenu energiju i zamah, što se ne dešava u običnoj materiji.
Glavne karakteristike
Kao što je ranije pomenuto, materija ne samo da ima tri osnovna stanja tečno, čvrsto i gasovito, već naprotiv, postoji četvrto i peto stanje koje su plazmatsko i jonizovano. Bose-Einstein kondenzat je jedno od ovih stanja i ima nekoliko karakteristika:
- To je agregatno stanje sastavljeno od skupa bozona koji su elementarne čestice.
- Smatra se petim stanjem agregacije koje materijali mogu preuzeti.
- Prvi put je uočen 1995. godine, tako da je prilično nov.
- Ima proces kondenzacije blizu apsolutne nule.
- To je super fluid, što znači da ima sposobnost supstance da eliminiše trenje.
- On je supravodljiv i nema električni otpor.
- Poznata je i kao kvantna kocka leda.
Poreklo Bose-Einstein kondenzata
Kada je plin zatvoren u spremniku, čestice koje čine plin se obično drže na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge da postoji vrlo mala interakcija, osim povremenog sudara jedne s drugom i sa zidovima posude. Otuda je izveden dobro poznati model idealnog gasa.
Međutim, čestice su u trajnom termičkom mešanju, a temperatura je odlučujući parametar za brzinu: što je temperatura viša, to se brže kreću. Iako brzina svake čestice može varirati, prosječna brzina sistema ostaje konstantna na datoj temperaturi.
Sljedeća važna činjenica je da se materija sastoji od dvije vrste čestica: fermiona i bozona, koje se razlikuju po svom spinu (unutarnji ugaoni moment), koje su po prirodi potpuno kvantne. Na primjer, elektroni su fermioni sa polucijelim spinovima, dok bozoni imaju cjelobrojne spinove, što njihovo statističko ponašanje čini drugačijim.
Fermioni vole biti drugačiji i stoga pridržavati se Paulijevog principa isključenja, prema kojem dva fermiona u atomu ne mogu imati isto kvantno stanje. To je razlog zašto se elektroni nalaze na različitim atomskim orbitalama i stoga ne zauzimaju isto kvantno stanje.
Bozoni se, s druge strane, ne pokoravaju principu odbijanja i stoga nemaju ništa protiv da zauzmu isto kvantno stanje. Težak dio eksperimenta je održavanje sistema dovoljno hladnim tako da de Broljeva talasna dužina ostane visoka.
Naučnici iz Kolorada su to postigli koristeći laserski sistem za hlađenje koji uključuje udaranje atomskih uzoraka direktno sa šest laserskih zraka, uzrokujući njihovo naglo usporavanje i na taj način uvelike smanjuju svoje termičke poremećaje.
Sporiji, hladniji atomi su zarobljeni u magnetnom polju, omogućavajući bržim atomima da pobjegnu i dodatno ohlade sistem. Atomi zatvoreni na ovaj način uspjeli su da formiraju malu mrlju Bose-Einstein kondenzata za kratko vrijeme, koje je trajalo dovoljno dugo da se zabilježi na slici.
Aplicaciones
Jedna od najperspektivnijih primjena Bose-Einstein kondenzata je u stvaranje preciznih uređaja za merenje vremena i detekciju gravitacionih talasa. Budući da se atomi u kondenzatu kreću kao jedan entitet, oni su mnogo precizniji od konvencionalnih atomskih satova i mogu se koristiti za mjerenje vremena sa neviđenom preciznošću.
Drugi aspekt u kojem se ovo peto stanje materije može primijeniti je u kvantnom računarstvu, što bi moglo dozvoliti stvaranje kompjutera mnogo moćnijih i efikasnijih od sadašnjih. Atomi u kondenzatu mogu se koristiti kao kubiti, osnovni gradivni blokovi kvantnog kompjutera, a njihova kvantna svojstva mogu omogućiti mnogo brže i preciznije proračune nego što je to moguće sa konvencionalnim računarima. Zbog toga se ovih dana mnogo govori o kvantnim kompjuterima.
Osim toga, Bose-Einstein kondenzat se također koristi u istraživanju fizike materijala i u stvaranju novih materijala sa izvanrednim svojstvima. Na primjer, naviklo se na to stvoriti supravodljive materijale koji bi mogli revolucionirati elektroničku industriju i omogućavaju stvaranje mnogo efikasnijih i moćnijih uređaja.
Nadam se da uz ove informacije možete saznati više o Bose-Einstein kondenzatu, njegovim karakteristikama i primjeni.