Ainetta löytyy erilaisissa aggregaattimuodoissa, joista löytyy kiinteitä aineita, kaasuja ja nesteitä, mutta on myös muita vähemmän tunnettuja tiloja, joista yksi tunnetaan ns. Bose-Einstein-kondensaatti, jota monet kemistit, tiedemiehet ja fyysikot pitävät aineen viidentenä tilana.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle, mikä Bose-Einstein-kondensaatti on, sen ominaisuudet, sovellukset ja paljon muuta.
Mikä on Bose-Einstein-kondensaatti
Bose-Einstein-kondensaatti (BEC) on aineen aggregoitu tila, kuten tavalliset tilat: kaasumainen, nestemäinen ja kiinteä, mutta Se tapahtuu erittäin matalissa lämpötiloissa, hyvin lähellä absoluuttista nollaa.
Se koostuu bosoneiksi kutsutuista hiukkasista, jotka näissä lämpötiloissa sijaitsevat alhaisimman energian kvanttitilassa, joka tunnetaan nimellä perustila. Albert Einstein ennusti tämän vuonna 1924 luettuaan paperin fotonitilastoista, jonka intialainen fyysikko Satyendra Bose lähetti hänelle.
Ei ole helppoa saada Bose-Einstein-kondensaattien muodostamiseen tarvittavia lämpötiloja laboratoriossa, syy siihen, miksi vuoteen 1995 asti tarvittavaa tekniikkaa ei ollut mahdollista saada. Tuona vuonna amerikkalaiset fyysikot Eric Cornell ja Carl Wieman sekä saksalainen fyysikko Wolfgang Ketterle onnistuivat havaitsemaan ensimmäiset Bose-Einsteinin kondensaatit. Coloradon tiedemiehet käyttivät rubidium-87:ää, kun taas Keitel sai sen erittäin laimealla natriumatomikaasulla.
Koska nämä kokeet avasivat oven uudelle aineen ominaisuuksien tutkimusalalle, Kettler, Cornell ja Wieman saivat Nobel-palkinnon vuonna 2001. Juuri äärimmäisen alhaisen lämpötilan vuoksi kaasuatomit, joilla on tietyt ominaisuudet, muodostavat järjestetyn tilan, jotka kaikki onnistuvat saamaan saman pienentyneen energian ja vauhdin, mitä ei tapahdu tavallisessa asiassa.
Tärkeimmät ominaisuudet
Kuten aiemmin mainittiin, aineella ei ole vain kolme perustilaa: neste, kiinteä ja kaasu, vaan päinvastoin, on neljäs ja viides tila, jotka ovat plasmaattisia ja ionisoituneita. Bose-Einstein-kondensaatti on yksi näistä tiloista ja sillä on useita ominaisuuksia:
- Se on aggregaattitila, joka koostuu joukosta bosoneja, jotka ovat alkuainehiukkasia.
- Sitä pidetään viidentenä aggregaatiotilana, jonka materiaalit voivat olettaa.
- Se havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1995, joten se on melko uusi.
- Sen kondensaatioprosessi on lähellä absoluuttista nollaa.
- Se on supernestettä, mikä tarkoittaa, että sillä on aineen kyky poistaa kitkaa.
- Se on suprajohtava ja sen sähkövastus on nolla.
- Se tunnetaan myös kvanttijääkuutiona.
Bose-Einstein-kondensaatin alkuperä
Kun kaasu suljetaan säiliöön, kaasun muodostavat hiukkaset pysyvät normaalisti riittävän kaukana toisistaan, jotta vuorovaikutusta on hyvin vähän, lukuun ottamatta satunnaista törmäystä toisiinsa ja säiliön seiniin. Tästä johdetaan hyvin tunnettu ideaalikaasumalli.
Hiukkaset ovat kuitenkin jatkuvassa lämpösekoituksessa ja lämpötila on nopeuden ratkaiseva parametri: mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin ne liikkuvat. Vaikka jokaisen hiukkasen nopeus voi vaihdella, järjestelmän keskinopeus pysyy vakiona tietyssä lämpötilassa.
Seuraava tärkeä tosiasia on, että aine koostuu kahden tyyppisistä hiukkasista: fermioneista ja bosoneista, jotka erottuvat spinistä (sisäinen kulmamomentti), jotka ovat luonteeltaan täysin kvanttihiukkasia. Esimerkiksi elektronit ovat fermioneja, joiden spinit ovat puolikokonaislukuja, kun taas bosoneissa on kokonaislukuspinit, mikä tekee niiden tilastollisesta käyttäytymisestä erilaisen.
Fermionit haluavat olla erilaisia ja siksi noudata Paulin poissulkemisperiaatetta, jonka mukaan atomin kahdella fermionilla ei voi olla sama kvanttitila. Tästä syystä elektronit ovat eri atomiradoilla eivätkä siksi ole samassa kvanttitilassa.
Bosonit sen sijaan eivät noudata hylkimisperiaatetta, joten heillä ei ole mitään vastustusta samaan kvanttitilaan. Kokeen vaikea osa on pitää järjestelmä riittävän viileänä, jotta de Broglien aallonpituus pysyy korkeana.
Coloradon tiedemiehet saavuttivat tämän käyttämällä laserjäähdytysjärjestelmä, jossa atominäytteitä lyödään suoraan kuudella lasersäteellä, mikä saa ne yhtäkkiä hidastamaan ja vähentämään siten suuresti lämpöhäiriöitään.
Hitaammat, viileämmät atomit jäävät loukkuun magneettikenttään, jolloin nopeammat atomit pääsevät pakoon jäähdyttämään järjestelmää entisestään. Tällä tavalla rajatut atomit onnistuivat muodostamaan lyhyen ajan Bose-Einstein-kondensaatiosta pienen täplän, joka kesti tarpeeksi kauan, jotta se tallentui kuvaan.
sovellukset
Yksi Bose-Einstein-kondensaatin lupaavimmista sovelluksista on tarkkuuslaitteiden luominen ajan mittaamiseen ja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Koska kondensaatin atomit liikkuvat yhtenä kokonaisuutena, ne ovat paljon tarkempia kuin perinteiset atomikellot ja niitä voidaan käyttää ajan mittaamiseen ennennäkemättömällä tarkkuudella.
Toinen näkökohta, jossa tätä aineen viidettä tilaa voidaan soveltaa, on kvanttilaskenta, mikä voisi sallia tietokoneiden luominen, jotka ovat paljon tehokkaampia kuin nykyiset. Kondensaatissa olevia atomeja voidaan käyttää kubitteina, kvanttitietokoneen perusrakennuspalikeina, ja niiden kvanttiominaisuudet voisivat mahdollistaa paljon nopeammat ja tarkemmat laskelmat kuin perinteisillä tietokoneilla. Tästä syystä kvanttitietokoneista puhutaan nykyään paljon.
Lisäksi Bose-Einstein-kondensaattia käytetään myös materiaalifysiikan tutkimuksessa ja uusien materiaalien luomisessa, joilla on poikkeukselliset ominaisuudet. Esimerkiksi siihen on totuttu luoda suprajohtavia materiaaleja, jotka voivat mullistaa elektroniikkateollisuuden ja mahdollistaa paljon tehokkaampien ja tehokkaampien laitteiden luomisen.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää Bose-Einstein-kondensaatista, sen ominaisuuksista ja sovelluksista.