La matèria es pot trobar en diversos estats agregats, entre els quals trobem sòlids, gasos i líquids, però hi ha un altre tipus d'estats menys coneguts, un dels quals és el conegut com condensat de Bose-Einstein, considerat per molts químics, científics i físics com el cinquè estat de la matèria.
En aquest article explicarem què és el condensat de Bose-Einstein, les seves característiques, aplicacions i molt més.
Què és el condensat de Bose-Einstein
Un Condensat de Bose-Einstein (BEC) és un estat agregat de la matèria, com els estats usuals: gasós, líquid i sòlid, però ocorre a temperatures extremadament baixes, molt properes al zero absolut.
Consisteix en partícules anomenades bosons que, a aquestes temperatures, resideixen a l'estat quàntic d'energia més baixa conegut com a estat fonamental. Albert Einstein va predir això el 1924 després de llegir un article sobre estadístiques de fotons que li va enviar el físic indi Satyendra Bose.
No és fàcil obtenir les temperatures necessàries per formar condensats de Bose-Einstein al laboratori, de manera que fins al 1995 no es va poder comptar amb la tecnologia necessària. Aquell any, els físics nord-americans Eric Cornell i Carl Wieman i el físic alemany Wolfgang Ketterle van aconseguir observar els primers condensats de Bose-Einstein. Els científics de Colorado van usar rubidi-87, mentre que Keitel ho va obtenir a través d'un gas altament diluït d'àtoms de sodi.
Com que aquests experiments van obrir la porta a un nou camp destudi de les propietats de la matèria, Kettler, Cornell i Wieman van rebre el Premi Nobel de 2001. És precisament a causa de la temperatura extremadament baixa que és possible que els àtoms de gas amb certes propietats formin un estat ordenat, tots els quals aconsegueixen adquirir la mateixa energia i quantitat de moviment reduïdes, cosa que no succeeix en la matèria ordinària.
característiques principals
Com s'ha esmentat anteriorment, la matèria no només té tres estats bàsics de líquid, sòlid i gas, sinó que, per contra, hi ha una cambra i un cinquè estat que són plasmàtics i ionitzat. Un condensat de Bose-Einstein és un d'aquests estats i té diverses característiques:
- És un estat agregat compost per una col·lecció de bosons que són partícules elementals.
- Es considera el cinquè estat dagregació que poden assumir els materials.
- Es va observar per primera vegada el 1995, per la qual cosa és força nou.
- Té un procés de condensació proper al zero absolut.
- És súper fluid, cosa que significa que té la capacitat de la substància per eliminar la fricció.
- És superconductor i té zero resistència elèctrica.
- També se'l coneix com a cub de gel quàntic.
Origen del condensat de Bose-Einstein
Quan es clou un gas en un recipient, normalment les partícules que componen el gas es mantenen a una distància suficient entre si perquè hi hagi molt poca interacció, a banda de la col·lisió ocasional entre elles i amb les parets del recipient. D'aquí se'n deriva el conegut model de gas ideal.
Tot i això, les partícules estan en agitació tèrmica permanent, i la temperatura és el paràmetre decisiu per a la velocitat: com més temperatura, més ràpid es mouen. Si bé la velocitat de cada partícula pot variar, la velocitat mitjana del sistema roman constant a una temperatura determinada.
El fet important és que la matèria consta de dos tipus de partícules: fermions i bosons, que es distingeixen pel seu espí (moment angular intrínsec), que són de naturalesa completament quàntica. Per exemple, els electrons són fermions amb espins sementents, mentre que els bosons tenen espins sencers, cosa que fa que el seu comportament estadístic sigui diferent.
Als fermions els agrada ser diferents i, per tant, obeeixen el principi d'exclusió de Pauli, segons el qual dos fermions en un àtom no poden tenir el mateix estat quàntic. Aquesta és la raó per la qual els electrons estan a diferents orbitals atòmics i, per tant, no ocupen el mateix estat quàntic.
Els bosons, per altra banda, no obeeixen al principi de repulsió i, per tant, no tenen inconvenient a ocupar el mateix estat quàntic. La part difícil de l'experiment és mantenir el sistema prou fred perquè la longitud d'ona de De Broglie romangui alta.
Els científics de Colorado van aconseguir això mitjançant l'ús de un sistema de refredament per làser que consisteix a colpejar mostres atòmiques de front amb sis raigs làser, cosa que fa que disminueixin sobtadament la seva velocitat i, per tant, redueixin en gran mesura les seves pertorbacions tèrmiques.
Els àtoms més freds i lents queden atrapats al camp magnètic, cosa que permet que els àtoms més ràpids escapin per refredar encara més el sistema. Els àtoms confinats així van aconseguir formar una petita gota del condensat de Bose-Einstein per un curt temps, que va durar prou com per ser registrat en una imatge.
aplicacions
Una de les aplicacions més prometedores del condensat de Bose-Einstein és a la creació de dispositius de precisió per al mesurament del temps i la detecció d'ones gravitatòries. Com que els àtoms en un condensat es mouen com una sola entitat, són molt més precisos que els rellotges atòmics convencionals i es poden utilitzar per mesurar el temps amb una precisió sense precedents.
Un altre aspecte on es pot trobar aplicació a aquest cinquè estat de la matèria és a la computació quàntica, que podria permetre la creació d'ordinadors molt més poderosos i eficients que els actuals. Els àtoms en un condensat es poden utilitzar com a qubits, els blocs de construcció bàsics d'un ordinador quàntic, i les seves propietats quàntiques podrien permetre la realització de càlculs molt més ràpids i precisos que els possibles amb els ordinadors convencionals. Per això és pel que s'està parlant actualment molt sobre els ordinadors quàntics.
A més, el condensat de Bose-Einstein també s'utilitza en la investigació de la física de materials i la creació de nous materials amb propietats extraordinàries. Per exemple, s'ha utilitzat per crear materials superconductors que podrien revolucionar la indústria de l'electrònica i permetre la creació de dispositius molt més eficients i potents.
Espero que amb aquesta informació pugueu conèixer més sobre el condensat de Bose-Einstein, les seves característiques i aplicacions.