Aine võib esineda erinevates agregaatides, mille hulgas leiame tahkeid aineid, gaase ja vedelikke, kuid on ka teist tüüpi vähemtuntud olekuid, millest üks on tuntud kui Bose-Einsteini kondensaat, mida paljud keemikud, teadlased ja füüsikud peavad aine viiendaks olekuks.
Selles artiklis räägime teile, mis on Bose-Einsteini kondensaat, selle omadused, rakendused ja palju muud.
Mis on Bose-Einsteini kondensaat
Bose-Einsteini kondensaat (BEC) on aine agregaatolek, nagu tavalised olekud: gaasiline, vedel ja tahke, kuid See esineb äärmiselt madalatel temperatuuridel, absoluutse nulli lähedal.
See koosneb osakestest, mida nimetatakse bosoniteks ja mis nendel temperatuuridel asuvad madalaima energiaga kvantolekus, mida nimetatakse põhiolekuks. Albert Einstein ennustas seda 1924. aastal pärast seda, kui luges India füüsiku Satyendra Bose talle saadetud fotonistatistikat käsitlevat artiklit.
Bose-Einsteini kondensaatide moodustamiseks vajalikke temperatuure ei ole laboris lihtne saavutada, põhjus, miks kuni 1995. aastani ei olnud võimalik omada vajalikku tehnikat. Sel aastal õnnestus Ameerika füüsikutel Eric Cornellil ja Carl Wiemanil ning saksa füüsikul Wolfgang Ketterlel jälgida esimesi Bose-Einsteini kondensaate. Colorado teadlased kasutasid rubiidium-87, Keitel aga sai selle naatriumiaatomitest koosneva väga lahjendatud gaasi kaudu.
Kuna need katsed avasid ukse aine omaduste uurimise uude valdkonda, said Kettler, Cornell ja Wieman Nobeli preemia 2001. Just tänu ülimadalale temperatuurile moodustavad teatud omadustega gaasiaatomid korrastatud oleku. mis kõik õnnestub omandada sama vähendatud energia ja hoog, mida tavaasjades ei juhtu.
põhijooned
Nagu varem mainitud, pole ainel mitte ainult kolm põhiolekut: vedel, tahke ja gaasiline, vaid vastupidi, on neljas ja viies olek, mis on plasmalised ja ioniseeritud. Bose-Einsteini kondensaat on üks neist olekutest ja sellel on mitu omadust:
- See on agregaatolek, mis koosneb bosonite kogumist, mis on elementaarosakesed.
- Seda peetakse viiendaks agregatsiooni olekuks, mille materjalid võivad eeldada.
- Seda täheldati esmakordselt 1995. aastal, seega on see üsna uus.
- Sellel on absoluutsele nullile lähedane kondensatsiooniprotsess.
- See on ülivedelik, mis tähendab, et sellel on aine võime hõõrdumist kõrvaldada.
- See on ülijuhtiv ja selle elektritakistus on null.
- Seda tuntakse ka kvantjääkuubikuna.
Bose-Einsteini kondensaadi päritolu
Kui gaas on suletud mahutisse, hoitakse gaasi moodustavad osakesed tavaliselt üksteisest piisaval kaugusel, nii et nende vastastikmõju on väga väike, välja arvatud aeg-ajalt kokkupõrge üksteise ja mahuti seintega. Siit tuletatakse tuntud ideaalse gaasi mudel.
Osakesed on aga pidevas termilises segamises ja temperatuur on kiiruse määrav parameeter: mida kõrgem on temperatuur, seda kiiremini nad liiguvad. Kuigi iga osakese kiirus võib varieeruda, jääb süsteemi keskmine kiirus antud temperatuuril konstantseks.
Järgmine oluline fakt on see, et aine koosneb kahte tüüpi osakestest: fermionidest ja bosonitest, mida eristavad nende spinn (sisemine nurkimpulss), mis on oma olemuselt täiesti kvant. Näiteks elektronid on pooltäisarvuliste spinnidega fermionid, bosonitel aga täisarvulised spinnid, mis muudab nende statistilise käitumise erinevaks.
Fermionidele meeldib erineda ja seetõttu järgima Pauli välistamise põhimõtet, mille kohaselt ei saa aatomi kahel fermionil olla sama kvantolek. See on põhjus, miks elektronid asuvad erinevatel aatomiorbitaalidel ja seetõttu ei asu nad samas kvantolekus.
Bosonid seevastu ei allu tõrjumise printsiibile ja seetõttu pole neil sama kvantseisundi hõivamise vastu. Katse keeruline osa on hoida süsteemi piisavalt jahedana, et de Broglie lainepikkus püsiks kõrge.
Colorado teadlased saavutasid selle kasutades laserjahutussüsteem, mis hõlmab aatomiproovide löömist kuue laserkiirega, põhjustades nende äkilist aeglustumist ja seega oluliselt vähendades nende soojushäireid.
Aeglasemad ja jahedamad aatomid jäävad magnetvälja lõksu, võimaldades kiirematel aatomitel süsteemi veelgi jahutada. Sel viisil piiratud aatomitel õnnestus lühikese aja jooksul moodustada Bose-Einsteini kondensaadist väike plekk, mis püsis piisavalt kaua, et seda pildile salvestada.
rakendused
Bose-Einsteini kondensaadi üks paljutõotavamaid rakendusi on selles täppisseadmete loomine aja mõõtmiseks ja gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Kuna kondensaadis olevad aatomid liiguvad ühe üksusena, on need palju täpsemad kui tavalised aatomkellad ja neid saab kasutada aja mõõtmiseks enneolematu täpsusega.
Teine aspekt, kus seda aine viiendat olekut saab rakendada, on kvantarvutus, mis võib seda võimaldada arvutite loomine, mis on palju võimsamad ja tõhusamad kui praegused. Kondensaadi aatomeid saab kasutada kubitidena, mis on kvantarvuti põhilised ehitusplokid, ja nende kvantomadused võivad võimaldada palju kiiremaid ja täpsemaid arvutusi kui tavaliste arvutitega. Seetõttu räägitakse tänapäeval palju kvantarvutitest.
Lisaks kasutatakse Bose-Einsteini kondensaati ka materjalifüüsika uuringutes ja uute erakordsete omadustega materjalide loomisel. Näiteks on sellega harjunud luua ülijuhtivaid materjale, mis võivad elektroonikatööstuses revolutsiooni teha ning võimaldavad luua palju tõhusamaid ja võimsamaid seadmeid.
Loodan, et selle teabe abil saate rohkem teada Bose-Einsteini kondensaadi, selle omaduste ja rakenduste kohta.