Stof kan findes i forskellige aggregerede tilstande, blandt hvilke vi finder faste stoffer, gasser og væsker; der er dog andre typer af mindre kendte tilstande, hvoraf den ene er kendt som Bose-Einstein kondensat, betragtet af mange kemikere, videnskabsmænd og fysikere som materiens femte tilstand.
I denne artikel vil vi fortælle dig, hvad Bose-Einstein-kondensatet er, dets egenskaber, anvendelser og meget mere.
Hvad er Bose-Einstein-kondensatet
Et Bose-Einstein-kondensat (BEC) er en aggregeret tilstand af stof, ligesom de sædvanlige tilstande: gasformig, flydende og fast, men Det forekommer ved ekstremt lave temperaturer, meget tæt på det absolutte nulpunkt.
Det består af partikler kaldet bosoner, der ved disse temperaturer befinder sig i den laveste energikvantetilstand kendt som grundtilstanden. Albert Einstein forudsagde dette i 1924 efter at have læst et papir om fotonstatistik sendt til ham af den indiske fysiker Satyendra Bose.
Det er ikke let at opnå de nødvendige temperaturer for at danne Bose-Einstein-kondensater i laboratoriet, grunden til, at det indtil 1995 ikke var muligt at have den nødvendige teknologi. Det år lykkedes det de amerikanske fysikere Eric Cornell og Carl Wieman og den tyske fysiker Wolfgang Ketterle at observere de første Bose-Einstein-kondensater. Colorado-forskerne brugte rubidium-87, mens Keitel opnåede det gennem en meget fortyndet gas af natriumatomer.
Fordi disse eksperimenter åbnede døren til et nyt studiefelt af materiens egenskaber, modtog Kettler, Cornell og Wieman Nobelprisen i 2001. Det er netop på grund af den ekstremt lave temperatur, at gasatomer med visse egenskaber danner en ordnet tilstand. alt sammen formår at opnå den samme reducerede energi og fremdrift, hvilket ikke sker i almindeligt stof.
Vigtigste funktioner
Som tidligere nævnt har stof ikke kun tre grundlæggende tilstande af væske, fast og gas, men tværtimod, der er en fjerde og en femte tilstand, der er plasmatiske og ioniserede. Et Bose-Einstein-kondensat er en af disse tilstande og har flere egenskaber:
- Det er en aggregeret tilstand, der består af en samling bosoner, som er elementære partikler.
- Det betragtes som den femte aggregeringstilstand, som materialer kan antage.
- Det blev først observeret i 1995, så det er ret nyt.
- Det har en kondenseringsproces tæt på det absolutte nul.
- Det er superflydende, hvilket betyder, at det har stoffets evne til at eliminere friktion.
- Den er superledende og har nul elektrisk modstand.
- Det er også kendt som en kvante-isterning.
Bose-Einstein-kondensatets oprindelse
Når en gas er indesluttet i en beholder, holdes partiklerne, der udgør gassen, normalt i en tilstrækkelig afstand fra hinanden til, at der er meget lidt interaktion, bortset fra lejlighedsvis kollision med hinanden og med beholderens vægge. Derfor er den velkendte idealgasmodel afledt.
Men partiklerne er i permanent termisk omrøring, og temperaturen er den afgørende parameter for hastigheden: jo højere temperatur, jo hurtigere bevæger de sig. Selvom hastigheden af hver partikel kan variere, forbliver systemets gennemsnitlige hastighed konstant ved en given temperatur.
Den næste vigtige kendsgerning er, at stof består af to typer partikler: fermioner og bosoner, kendetegnet ved deres spin (iboende vinkelmoment), som er fuldstændig kvante i naturen. For eksempel er elektroner fermioner med halvt heltals spin, mens bosoner har heltals spin, hvilket gør deres statistiske adfærd anderledes.
Fermioner kan lide at være anderledes og derfor adlyde Pauli udelukkelsesprincippet, ifølge hvilken to fermioner i et atom ikke kan have samme kvantetilstand. Dette er grunden til, at elektronerne er i forskellige atomare orbitaler og derfor ikke indtager den samme kvantetilstand.
Bosoner, på den anden side, adlyder ikke frastødningsprincippet og har derfor ingen indvendinger mod at indtage den samme kvantetilstand. Den svære del af eksperimentet er at holde systemet køligt nok, så de Broglie-bølgelængden forbliver høj.
Colorado-forskerne opnåede dette ved at bruge et laserkølesystem, der involverer at ramme atomprøver frontalt med seks laserstråler, får dem til pludselig at sænke farten og dermed i høj grad reducere deres termiske forstyrrelser.
De langsommere, køligere atomer er fanget i magnetfeltet, hvilket tillader de hurtigere atomer at undslippe for yderligere at afkøle systemet. Atomer indespærret på denne måde formåede i kort tid at danne en lille klat af Bose-Einstein-kondensatet, som varede længe nok til at blive optaget på et billede.
applikationer
En af de mest lovende anvendelser af Bose-Einstein-kondensatet er i skabelsen af præcisionsanordninger til måling af tid og detektering af gravitationsbølger. Fordi atomerne i et kondensat bevæger sig som en enkelt enhed, er de meget mere nøjagtige end konventionelle atomure og kan bruges til at måle tid med hidtil uset præcision.
Et andet aspekt, hvor denne femte stoftilstand kan anvendes, er i kvanteberegning, hvilket kunne tillade skabelsen af computere, der er meget mere kraftfulde og effektive end de nuværende. Atomer i et kondensat kan bruges som qubits, de grundlæggende byggesten i en kvantecomputer, og deres kvanteegenskaber kunne muliggøre meget hurtigere og mere nøjagtige beregninger end muligt med konventionelle computere. Det er derfor, der tales meget om kvantecomputere i disse dage.
Derudover bruges Bose-Einstein-kondensatet også i materialefysisk forskning og til skabelse af nye materialer med ekstraordinære egenskaber. Det har man f.eks. været vant til skabe superledende materialer, der kan revolutionere elektronikindustrien og tillade oprettelsen af meget mere effektive og kraftfulde enheder.
Jeg håber, at du med denne information kan lære mere om Bose-Einstein-kondensatet, dets egenskaber og anvendelser.