Hmota se vyskytuje v různých agregovaných skupenstvích, mezi nimiž najdeme pevné látky, plyny a kapaliny; existují však i další typy méně známých skupenství, z nichž jeden je známý jako Bose-Einsteinův kondenzát, považovaný mnoha chemiky, vědci a fyziky za páté skupenství hmoty.
V tomto článku vám řekneme, co je Bose-Einsteinův kondenzát, jeho vlastnosti, aplikace a mnoho dalšího.
Co je Bose-Einsteinův kondenzát
Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) je agregovaný stav hmoty, jako obvyklé skupenství: plynné, kapalné a pevné, ale Vyskytuje se při extrémně nízkých teplotách, velmi blízkých absolutní nule.
Skládá se z částic zvaných bosony, které se při těchto teplotách nacházejí v kvantovém stavu s nejnižší energií, známém jako základní stav. Albert Einstein to předpověděl v roce 1924 poté, co si přečetl článek o fotonové statistice, který mu zaslal indický fyzik Satyendra Bose.
Není snadné získat v laboratoři teploty potřebné pro tvorbu Bose-Einsteinových kondenzátů, důvod, proč do roku 1995 nebylo možné mít potřebnou technologii. Toho roku se americkým fyzikům Eric Cornell a Carl Wieman a německému fyzikovi Wolfgangu Ketterlemu podařilo pozorovat první Bose-Einsteinovy kondenzáty. Vědci z Colorada použili rubidium-87, zatímco Keitel ho získal prostřednictvím vysoce zředěného plynu atomů sodíku.
Protože tyto experimenty otevřely dveře do nového oboru studia vlastností hmoty, Kettler, Cornell a Wieman získali Nobelovu cenu za rok 2001. Právě kvůli extrémně nízké teplotě vytvářejí atomy plynu s určitými vlastnostmi uspořádaný stav. , z nichž všechny podaří získat stejnou sníženou energii a hybnost, což se v běžné hmotě neděje.
Hlavní charakteristiky
Jak již bylo zmíněno, hmota má nejen tři základní skupenství kapalné, pevné a plynné, ale naopak, existuje čtvrtý a pátý stav, které jsou plazmatické a ionizované. Bose-Einsteinův kondenzát je jedním z těchto stavů a má několik charakteristik:
- Je to agregovaný stav tvořený souborem bosonů, které jsou elementárními částicemi.
- Je považován za pátý stav agregace, který mohou materiály nabýt.
- Poprvé byl pozorován v roce 1995, takže je docela nový.
- Má kondenzační proces blízký absolutní nule.
- Je supertekutý, což znamená, že má schopnost látky eliminovat tření.
- Je supravodivý a má nulový elektrický odpor.
- Je také známá jako kvantová kostka ledu.
Původ Bose-Einsteinova kondenzátu
Když je plyn uzavřen v nádobě, částice, které tvoří plyn, jsou normálně udržovány v dostatečné vzdálenosti od sebe, takže dochází k velmi malé interakci, nehledě na občasné kolize mezi sebou a se stěnami nádoby. Odtud je odvozen známý model ideálního plynu.
Částice jsou však v neustálém tepelném míchání a teplota je rozhodujícím parametrem pro rychlost: čím vyšší je teplota, tím rychleji se pohybují. I když se rychlost každé částice může lišit, průměrná rychlost systému zůstává při dané teplotě konstantní.
Dalším důležitým faktem je, že hmota se skládá ze dvou typů částic: fermionů a bosonů, které se liší svým spinem (vnitřní moment hybnosti), které jsou zcela kvantové povahy. Například elektrony jsou fermiony s polovičními celočíselnými spiny, zatímco bosony mají celočíselné spiny, což odlišuje jejich statistické chování.
Fermioni se rádi odlišují a proto dodržovat Pauliho vylučovací princip, podle kterého dva fermiony v atomu nemohou mít stejný kvantový stav. To je důvod, proč jsou elektrony v různých atomových orbitalech, a proto nezabírají stejný kvantový stav.
Na druhé straně bosony neposlouchají princip odpuzování, a proto nemají žádné námitky proti obsazení stejného kvantového stavu. Obtížnou částí experimentu je udržet systém dostatečně chladný, aby de Broglieho vlnová délka zůstala vysoká.
Coloradští vědci toho dosáhli pomocí laserový chladicí systém, který zahrnuje přímý zásah do atomových vzorků šesti laserovými paprsky, způsobí jejich náhlé zpomalení a tím značně sníží jejich tepelné poruchy.
Pomalejší, chladnější atomy jsou zachyceny v magnetickém poli, což umožňuje rychlejším atomům uniknout a dále chladit systém. Takto ohraničené atomy dokázaly na krátkou dobu vytvořit malou kuličku Bose-Einsteinova kondenzátu, která vydržela dostatečně dlouho na to, aby se dala zaznamenat do obrazu.
aplikace
Jedna z nejslibnějších aplikací Bose-Einsteinova kondenzátu je in vytvoření přesných zařízení pro měření času a detekci gravitačních vln. Protože se atomy v kondenzátu pohybují jako jeden celek, jsou mnohem přesnější než běžné atomové hodiny a lze je použít k měření času s nebývalou přesností.
Dalším aspektem, kde lze tento pátý stav hmoty uplatnit, je kvantové počítání, které by to mohlo umožnit vytvoření počítačů mnohem výkonnějších a výkonnějších než ty současné. Atomy v kondenzátu mohou být použity jako qubity, základní stavební kameny kvantového počítače, a jejich kvantové vlastnosti by mohly umožnit mnohem rychlejší a přesnější výpočty, než je možné u běžných počítačů. To je důvod, proč se v dnešní době hodně mluví o kvantových počítačích.
Kromě toho se Bose-Einsteinův kondenzát používá také ve výzkumu fyziky materiálů a při vytváření nových materiálů s mimořádnými vlastnostmi. Například to bylo zvyklé vytvořit supravodivé materiály, které by mohly způsobit revoluci v elektronickém průmyslu a umožňují vytvářet mnohem účinnější a výkonnější zařízení.
Doufám, že s těmito informacemi se můžete dozvědět více o Bose-Einsteinově kondenzátu, jeho vlastnostech a aplikacích.