La matière peut se trouver dans divers états agrégés, parmi lesquels on trouve des solides, des gaz et des liquides ; cependant, il existe d'autres types d'états moins connus, dont l'un est connu sous le nom de Condensat de Bose-Einstein, considéré par de nombreux chimistes, scientifiques et physiciens comme le cinquième état de la matière.
Dans cet article, nous allons vous dire ce qu'est le condensat de Bose-Einstein, ses caractéristiques, ses applications et bien plus encore.
Qu'est-ce que le condensat de Bose-Einstein
Un condensat de Bose-Einstein (BEC) est un état agrégé de la matière, comme les états habituels : gazeux, liquide et solide, mais Il se produit à des températures extrêmement basses, très proches du zéro absolu.
Il se compose de particules appelées bosons qui, à ces températures, résident dans l'état quantique d'énergie le plus bas connu sous le nom d'état fondamental. Albert Einstein l'avait prédit en 1924 après avoir lu un article sur les statistiques des photons que lui avait envoyé le physicien indien Satyendra Bose.
Il n'est pas facile d'obtenir les températures nécessaires pour former des condensats de Bose-Einstein en laboratoire, raison pour laquelle jusqu'en 1995, il n'était pas possible de disposer de la technologie nécessaire. Cette année-là, les physiciens américains Eric Cornell et Carl Wieman et le physicien allemand Wolfgang Ketterle parviennent à observer les premiers condensats de Bose-Einstein. Les scientifiques du Colorado ont utilisé le rubidium-87, tandis que Keitel l'a obtenu grâce à un gaz hautement dilué d'atomes de sodium.
Parce que ces expériences ont ouvert la porte à un nouveau domaine d'étude des propriétés de la matière, Kettler, Cornell et Wieman ont reçu le prix Nobel 2001. C'est précisément à cause de la température extrêmement basse que les atomes de gaz avec certaines propriétés forment un état ordonné, dont tout parvient à acquérir la même énergie et le même élan réduits, ce qui n'arrive pas dans la matière ordinaire.
Caractéristiques principales
Comme mentionné précédemment, la matière a non seulement trois états de base de liquide, solide et gaz, mais au contraire, il existe un quatrième et un cinquième état plasmatique et ionisé. Un condensat de Bose-Einstein est l'un de ces états et possède plusieurs caractéristiques :
- C'est un état agrégé constitué d'un ensemble de bosons qui sont des particules élémentaires.
- Il est considéré comme le cinquième état d'agrégation que les matériaux peuvent adopter.
- Il a été observé pour la première fois en 1995, donc c'est assez nouveau.
- Il a un processus de condensation proche du zéro absolu.
- Il est super fluide, ce qui signifie qu'il a la capacité de la substance à éliminer les frottements.
- Il est supraconducteur et a une résistance électrique nulle.
- Il est également connu sous le nom de glaçon quantique.
Origine du condensat de Bose-Einstein
Lorsqu'un gaz est enfermé dans un récipient, les particules qui composent le gaz sont normalement maintenues à une distance suffisante les unes des autres pour qu'il y ait très peu d'interaction, à part la collision occasionnelle entre elles et avec les parois du récipient. D'où le modèle bien connu des gaz parfaits.
Or, les particules sont en agitation thermique permanente, et la température est le paramètre décisif pour la vitesse : plus la température est élevée, plus ils se déplacent rapidement. Bien que la vitesse de chaque particule puisse varier, la vitesse moyenne du système reste constante à une température donnée.
Le deuxième fait important est que la matière est constituée de deux types de particules : les fermions et les bosons, qui se distinguent par leur spin (moment cinétique intrinsèque), qui sont complètement de nature quantique. Par exemple, les électrons sont des fermions avec des spins demi-entiers, tandis que les bosons ont des spins entiers, ce qui rend leur comportement statistique différent.
Les fermions aiment être différents et donc obéir au principe d'exclusion de Pauli, selon laquelle deux fermions d'un atome ne peuvent pas avoir le même état quantique. C'est la raison pour laquelle les électrons se trouvent dans des orbitales atomiques différentes et n'occupent donc pas le même état quantique.
Les bosons, en revanche, n'obéissent pas au principe de répulsion et n'ont donc aucune objection à occuper le même état quantique. La partie difficile de l'expérience consiste à maintenir le système suffisamment froid pour que la longueur d'onde de de Broglie reste élevée.
Les scientifiques du Colorado y sont parvenus en utilisant un système de refroidissement laser qui consiste à frapper de front des échantillons atomiques avec six faisceaux laser, provoquant leur ralentissement brutal et donc une forte diminution de leurs perturbations thermiques.
Les atomes les plus lents et les plus froids sont piégés dans le champ magnétique, permettant aux atomes les plus rapides de s'échapper pour refroidir davantage le système. Les atomes ainsi confinés ont réussi à former une petite goutte du condensat de Bose-Einstein pendant une courte période, qui a duré assez longtemps pour être enregistrée dans une image.
applications
L'une des applications les plus prometteuses du condensat de Bose-Einstein est dans la création d'appareils de précision pour la mesure du temps et la détection des ondes gravitationnelles. Parce que les atomes d'un condensat se déplacent comme une seule entité, ils sont beaucoup plus précis que les horloges atomiques conventionnelles et peuvent être utilisés pour mesurer le temps avec une précision sans précédent.
Un autre aspect où ce cinquième état de la matière peut être appliqué est l'informatique quantique, qui pourrait permettre la création d'ordinateurs beaucoup plus puissants et performants que les actuels. Les atomes dans un condensat peuvent être utilisés comme qubits, les éléments de base d'un ordinateur quantique, et leurs propriétés quantiques pourraient permettre des calculs beaucoup plus rapides et plus précis qu'avec les ordinateurs conventionnels. C'est pourquoi on parle beaucoup d'ordinateurs quantiques ces jours-ci.
De plus, le condensat de Bose-Einstein est également utilisé dans la recherche en physique des matériaux et dans la création de nouveaux matériaux aux propriétés extraordinaires. Par exemple, il a été utilisé pour créer des matériaux supraconducteurs qui pourraient révolutionner l'industrie électronique et permettre la création d'appareils beaucoup plus efficaces et puissants.
J'espère qu'avec ces informations, vous pourrez en apprendre davantage sur le condensat de Bose-Einstein, ses caractéristiques et ses applications.