Materie kommt in verschiedenen Aggregatzuständen vor, darunter Feststoffe, Gase und Flüssigkeiten; es gibt jedoch auch andere Arten von weniger bekannten Zuständen, von denen einer als bekannt ist Bose-Einstein-Kondensat, von vielen Chemikern, Wissenschaftlern und Physikern als fünfter Aggregatzustand angesehen.
In diesem Artikel erklären wir Ihnen, was das Bose-Einstein-Kondensat ist, welche Eigenschaften es hat, welche Anwendungen es gibt und vieles mehr.
Was ist das Bose-Einstein-Kondensat?
Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) ist ein Aggregatzustand der Materie, wie die üblichen Zustände: gasförmig, flüssig und fest, aber Es tritt bei extrem niedrigen Temperaturen auf, sehr nahe am absoluten Nullpunkt.
Es besteht aus Teilchen, sogenannten Bosonen, die sich bei diesen Temperaturen im Quantenzustand mit der niedrigsten Energie, dem sogenannten Grundzustand, befinden. Albert Einstein sagte dies 1924 voraus, nachdem er einen Aufsatz über Photonenstatistik gelesen hatte, den ihm der indische Physiker Satyendra Bose geschickt hatte.
Es ist nicht einfach, im Labor die Temperaturen zu erreichen, die zur Bildung von Bose-Einstein-Kondensaten erforderlich sind. Aus diesem Grund war es bis 1995 nicht möglich, über die erforderliche Technologie zu verfügen. In diesem Jahr gelang es den amerikanischen Physikern Eric Cornell und Carl Wieman sowie dem deutschen Physiker Wolfgang Ketterle, die ersten Bose-Einstein-Kondensate zu beobachten. Die Wissenschaftler aus Colorado verwendeten Rubidium-87, während Keitel es durch ein stark verdünntes Gas aus Natriumatomen gewann.
Weil diese Experimente die Tür zu einem neuen Gebiet der Erforschung der Eigenschaften von Materie öffneten, erhielten Kettler, Cornell und Wieman 2001 den Nobelpreis. Gerade aufgrund der extrem niedrigen Temperatur bilden Gasatome mit bestimmten Eigenschaften einen geordneten Zustand. alles von welchem schaffen es, die gleiche reduzierte Energie und den gleichen Schwung zu erreichen, was in gewöhnlicher Materie nicht der Fall ist.
Schlüsselmerkmale
Wie bereits erwähnt, hat Materie nicht nur die drei Grundzustände flüssig, fest und gasförmig, sondern im Gegenteil: Es gibt einen vierten und einen fünften Zustand, die plasmatisch und ionisiert sind. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist einer dieser Zustände und weist mehrere Eigenschaften auf:
- Es handelt sich um einen Aggregatzustand, der aus einer Ansammlung von Bosonen besteht, bei denen es sich um Elementarteilchen handelt.
- Er gilt als der fünfte Aggregatzustand, den Materialien annehmen können.
- Es wurde erstmals 1995 beobachtet und ist daher ziemlich neu.
- Es findet ein Kondensationsprozess nahe dem absoluten Nullpunkt statt.
- Es ist superflüssig, was bedeutet, dass die Substanz die Fähigkeit besitzt, Reibung zu beseitigen.
- Es ist supraleitend und hat keinen elektrischen Widerstand.
- Er wird auch als Quanteneiswürfel bezeichnet.
Ursprung des Bose-Einstein-Kondensats
Wenn ein Gas in einem Behälter eingeschlossen ist, werden die Partikel, aus denen das Gas besteht, normalerweise in einem ausreichenden Abstand voneinander gehalten, so dass es, abgesehen von gelegentlichen Kollisionen untereinander und mit den Wänden des Behälters, nur zu sehr geringen Wechselwirkungen kommt. Daraus wird das bekannte ideale Gasmodell abgeleitet.
Allerdings befinden sich die Partikel in permanenter thermischer Bewegung und die Temperatur ist der entscheidende Parameter für die Geschwindigkeit: Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sie sich. Obwohl die Geschwindigkeit jedes Teilchens variieren kann, bleibt die Durchschnittsgeschwindigkeit des Systems bei einer bestimmten Temperatur konstant.
Die nächste wichtige Tatsache ist, dass Materie aus zwei Arten von Teilchen besteht: Fermionen und Bosonen, die sich durch ihren Spin (Eigendrehimpuls) unterscheiden und vollständig Quantennatur sind. Beispielsweise sind Elektronen Fermionen mit halbzahligen Spins, während Bosonen ganzzahlige Spins haben, wodurch sich ihr statistisches Verhalten unterscheidet.
Fermionen mögen es, anders zu sein und deshalb Beachten Sie das Pauli-Ausschlussprinzip, wonach zwei Fermionen in einem Atom nicht den gleichen Quantenzustand haben können. Aus diesem Grund befinden sich die Elektronen in unterschiedlichen Atomorbitalen und besetzen daher nicht denselben Quantenzustand.
Bosonen hingegen gehorchen nicht dem Abstoßungsprinzip und haben daher nichts dagegen, denselben Quantenzustand einzunehmen. Der schwierige Teil des Experiments besteht darin, das System kühl genug zu halten, damit die de Broglie-Wellenlänge hoch bleibt.
Die Colorado-Wissenschaftler erreichten dies mithilfe von ein Laserkühlsystem, bei dem Atomproben frontal mit sechs Laserstrahlen getroffen werden, Dadurch werden sie plötzlich langsamer und reduzieren so ihre thermischen Störungen erheblich.
Die langsameren, kühleren Atome werden im Magnetfeld gefangen, sodass die schnelleren Atome entweichen können, um das System weiter abzukühlen. Auf diese Weise eingeschlossene Atome schafften es, für kurze Zeit einen kleinen Klumpen des Bose-Einstein-Kondensats zu bilden, der lange genug anhielt, um in einem Bild festgehalten zu werden.
Anwendungen
Eine der vielversprechendsten Anwendungen des Bose-Einstein-Kondensats liegt in die Entwicklung von Präzisionsgeräten zur Zeitmessung und zum Nachweis von Gravitationswellen. Da sich die Atome in einem Kondensat als eine Einheit bewegen, sind sie viel genauer als herkömmliche Atomuhren und können zur Zeitmessung mit beispielloser Präzision verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt, bei dem dieser fünfte Zustand der Materie angewendet werden kann, ist das Quantencomputing, das dies ermöglichen könnte die Schaffung von Computern, die viel leistungsfähiger und effizienter sind als die aktuellen. Atome in einem Kondensat können als Qubits verwendet werden, die Grundbausteine eines Quantencomputers, und ihre Quanteneigenschaften könnten viel schnellere und genauere Berechnungen ermöglichen, als dies mit herkömmlichen Computern möglich wäre. Aus diesem Grund wird heutzutage viel über Quantencomputer gesprochen.
Darüber hinaus wird das Bose-Einstein-Kondensat auch in der materialphysikalischen Forschung und bei der Schaffung neuer Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften eingesetzt. Zum Beispiel ist es daran gewöhnt Erstellen Sie supraleitende Materialien, die die Elektronikindustrie revolutionieren könnten und ermöglichen die Entwicklung wesentlich effizienterer und leistungsfähigerer Geräte.
Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über das Bose-Einstein-Kondensat, seine Eigenschaften und Anwendungen erfahren können.