Η ύλη μπορεί να βρεθεί σε διάφορες αθροιστικές καταστάσεις, μεταξύ των οποίων βρίσκουμε στερεά, αέρια και υγρά· ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι τύποι λιγότερο γνωστών καταστάσεων, μία από τις οποίες είναι γνωστή ως Συμπύκνωμα Bose-Einstein, που θεωρείται από πολλούς χημικούς, επιστήμονες και φυσικούς ως η πέμπτη κατάσταση της ύλης.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε τι είναι το συμπύκνωμα Bose-Einstein, τα χαρακτηριστικά του, τις εφαρμογές του και πολλά άλλα.
Τι είναι το συμπύκνωμα Bose-Einstein
Ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) είναι μια αθροιστική κατάσταση της ύλης, όπως οι συνήθεις καταστάσεις: αέριο, υγρό και στερεό, αλλά Εμφανίζεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια, τα οποία, σε αυτές τις θερμοκρασίες, βρίσκονται στη χαμηλότερη ενεργειακή κβαντική κατάσταση που είναι γνωστή ως θεμελιώδης κατάσταση. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το προέβλεψε αυτό το 1924 αφού διάβασε ένα έγγραφο σχετικά με τις στατιστικές των φωτονίων που του έστειλε ο Ινδός φυσικός Σατυέντρα Μποσέ.
Δεν είναι εύκολο να ληφθούν οι θερμοκρασίες που απαιτούνται για τον σχηματισμό συμπυκνωμάτων Bose-Einstein στο εργαστήριο, λόγος για τον οποίο μέχρι το 1995 δεν ήταν δυνατό να υπάρχει η απαραίτητη τεχνολογία. Εκείνη τη χρονιά, οι Αμερικανοί φυσικοί Eric Cornell και Carl Wieman και ο Γερμανός φυσικός Wolfgang Ketterle κατάφεραν να παρατηρήσουν τα πρώτα συμπυκνώματα Bose-Einstein. Οι επιστήμονες του Κολοράντο χρησιμοποίησαν ρουβίδιο-87, ενώ ο Keitel το έλαβε μέσω ενός εξαιρετικά αραιού αερίου ατόμων νατρίου.
Επειδή αυτά τα πειράματα άνοιξαν την πόρτα σε ένα νέο πεδίο μελέτης των ιδιοτήτων της ύλης, οι Kettler, Cornell και Wieman έλαβαν το βραβείο Νόμπελ 2001. Ακριβώς λόγω της εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας τα άτομα αερίου με ορισμένες ιδιότητες σχηματίζουν μια διατεταγμένη κατάσταση. όλα αυτά καταφέρνουν να αποκτήσουν την ίδια μειωμένη ενέργεια και ορμή, κάτι που δεν συμβαίνει στη συνηθισμένη ύλη.
Κύρια χαρακτηριστικά
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ύλη όχι μόνο έχει τρεις βασικές καταστάσεις υγρό, στερεό και αέριο, αλλά αντίθετα, υπάρχει μια τέταρτη και μια πέμπτη κατάσταση που είναι πλασματικές και ιονισμένες. Ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein είναι μία από αυτές τις καταστάσεις και έχει πολλά χαρακτηριστικά:
- Είναι μια αθροιστική κατάσταση που αποτελείται από μια συλλογή μποζονίων που είναι στοιχειώδη σωματίδια.
- Θεωρείται η πέμπτη κατάσταση συσσωμάτωσης που μπορούν να λάβουν τα υλικά.
- Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1995, επομένως είναι αρκετά νέο.
- Έχει μια διαδικασία συμπύκνωσης κοντά στο απόλυτο μηδέν.
- Είναι εξαιρετικά ρευστό, πράγμα που σημαίνει ότι έχει την ικανότητα της ουσίας να εξαλείφει την τριβή.
- Είναι υπεραγώγιμο και έχει μηδενική ηλεκτρική αντίσταση.
- Είναι επίσης γνωστό ως κβαντικό παγάκι.
Προέλευση του συμπυκνώματος Bose-Einstein
Όταν ένα αέριο περικλείεται σε ένα δοχείο, τα σωματίδια που αποτελούν το αέριο διατηρούνται συνήθως σε επαρκή απόσταση μεταξύ τους ώστε να υπάρχει πολύ μικρή αλληλεπίδραση, εκτός από την περιστασιακή σύγκρουση μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του δοχείου. Ως εκ τούτου προκύπτει το γνωστό μοντέλο ιδανικού αερίου.
Ωστόσο, τα σωματίδια βρίσκονται σε μόνιμη θερμική ανάδευση και η θερμοκρασία είναι η καθοριστική παράμετρος για την ταχύτητα: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο γρήγορα κινούνται. Αν και η ταχύτητα κάθε σωματιδίου μπορεί να ποικίλλει, η μέση ταχύτητα του συστήματος παραμένει σταθερή σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
Το επόμενο σημαντικό γεγονός είναι ότι η ύλη αποτελείται από δύο τύπους σωματιδίων: φερμιόνια και μποζόνια, που διακρίνονται από το σπιν τους (εσωτερική γωνιακή ορμή), τα οποία είναι εντελώς κβαντικής φύσης. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια με σπιν μισού ακέραιου αριθμού, ενώ τα μποζόνια έχουν ακέραια σπιν, γεγονός που κάνει τη στατιστική τους συμπεριφορά διαφορετική.
Στα φερμιόνια αρέσει να είναι διαφορετικά και επομένως υπακούουν στην αρχή του αποκλεισμού Pauli, σύμφωνα με την οποία δύο φερμιόνια σε ένα άτομο δεν μπορούν να έχουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτός είναι ο λόγος που τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε διαφορετικά ατομικά τροχιακά και επομένως δεν καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση.
Τα μποζόνια, από την άλλη, δεν υπακούουν στην αρχή της απώθησης και επομένως δεν έχουν αντίρρηση να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Το δύσκολο μέρος του πειράματος είναι να διατηρείται το σύστημα αρκετά δροσερό, ώστε το μήκος κύματος de Broglie να παραμένει υψηλό.
Οι επιστήμονες του Κολοράντο το κατάφεραν χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ψύξης λέιζερ που περιλαμβάνει το χτύπημα ατομικών δειγμάτων κατά μέτωπο με έξι ακτίνες λέιζερ, προκαλώντας τους να επιβραδύνουν ξαφνικά και έτσι να μειώσουν κατά πολύ τις θερμικές τους διαταραχές.
Τα πιο αργά, ψυχρότερα άτομα παγιδεύονται στο μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας στα ταχύτερα άτομα να διαφύγουν για να ψύξουν περαιτέρω το σύστημα. Τα άτομα που περιορίστηκαν με αυτόν τον τρόπο κατάφεραν να σχηματίσουν μια μικρή σταγόνα του συμπυκνώματος Bose-Einstein για μικρό χρονικό διάστημα, το οποίο κράτησε αρκετά ώστε να καταγραφεί σε μια εικόνα.
εφαρμογές
Μία από τις πιο ελπιδοφόρες εφαρμογές του συμπυκνώματος Bose-Einstein είναι μέσα τη δημιουργία συσκευών ακριβείας για τη μέτρηση του χρόνου και την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Επειδή τα άτομα σε ένα συμπύκνωμα κινούνται ως ενιαία οντότητα, είναι πολύ πιο ακριβή από τα συμβατικά ατομικά ρολόγια και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση του χρόνου με πρωτοφανή ακρίβεια.
Μια άλλη πτυχή όπου αυτή η πέμπτη κατάσταση της ύλης μπορεί να εφαρμοστεί είναι στον κβαντικό υπολογισμό, κάτι που θα μπορούσε να το επιτρέψει τη δημιουργία υπολογιστών πολύ πιο ισχυρών και αποτελεσματικών από τους σημερινούς. Τα άτομα σε ένα συμπύκνωμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως qubits, τα βασικά δομικά στοιχεία ενός κβαντικού υπολογιστή, και οι κβαντικές ιδιότητές τους θα μπορούσαν να επιτρέψουν πολύ ταχύτερους και ακριβέστερους υπολογισμούς από ό,τι είναι δυνατόν με τους συμβατικούς υπολογιστές. Αυτός είναι ο λόγος που γίνεται πολύς λόγος για τους κβαντικούς υπολογιστές αυτές τις μέρες.
Επιπλέον, το συμπύκνωμα Bose-Einstein χρησιμοποιείται επίσης στην έρευνα της φυσικής υλικών και στη δημιουργία νέων υλικών με εξαιρετικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, έχει συνηθίσει να δημιουργήσουν υπεραγώγιμα υλικά που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στη βιομηχανία ηλεκτρονικών και επιτρέπουν τη δημιουργία πολύ πιο αποτελεσματικών και ισχυρών συσκευών.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για το συμπύκνωμα Bose-Einstein, τα χαρακτηριστικά και τις εφαρμογές του.