Tvar se može naći u različitim agregatnim stanjima, među kojima nalazimo krutine, plinove i tekućine; međutim, postoje i druge vrste manje poznatih stanja, od kojih je jedno poznato kao Bose-Einsteinov kondenzat, koju mnogi kemičari, znanstvenici i fizičari smatraju petim agregatnim stanjem.
U ovom članku ćemo vam reći što je Bose-Einsteinov kondenzat, njegove karakteristike, primjene i još mnogo toga.
Što je Bose-Einsteinov kondenzat
Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) je agregatno stanje tvari, kao i uobičajena stanja: plinovito, tekuće i kruto, ali Javlja se pri ekstremno niskim temperaturama, vrlo blizu apsolutne nule.
Sastoji se od čestica koje se nazivaju bozoni i koje se na tim temperaturama nalaze u kvantnom stanju najniže energije poznatom kao osnovno stanje. Albert Einstein je to predvidio 1924. nakon što je pročitao rad o statistici fotona koji mu je poslao indijski fizičar Satyendra Bose.
Nije lako postići temperature potrebne za stvaranje Bose-Einsteinovih kondenzata u laboratoriju, razlog zašto do 1995. godine nije bilo moguće imati potrebnu tehnologiju. Te su godine američki fizičari Eric Cornell i Carl Wieman te njemački fizičar Wolfgang Ketterle uspjeli uočiti prve Bose-Einsteinove kondenzate. Znanstvenici iz Colorada koristili su rubidij-87, dok ga je Keitel dobio preko visoko razrijeđenog plina natrijevih atoma.
Budući da su ti eksperimenti otvorili vrata novom području proučavanja svojstava materije, Kettler, Cornell i Wieman dobili su Nobelovu nagradu 2001. Upravo zbog ekstremno niske temperature atomi plina s određenim svojstvima tvore uređeno stanje, sve to uspjeti steći istu smanjenu energiju i zamah, što se ne događa u običnoj materiji.
Glavne osobine
Kao što je prethodno spomenuto, materija ne samo da ima tri osnovna stanja tekuće, čvrsto i plinovito, već naprotiv, postoji četvrto i peto stanje koje je plazmatsko i ionizirano. Bose-Einsteinov kondenzat je jedno od ovih stanja i ima nekoliko karakteristika:
- To je agregatno stanje koje se sastoji od skupa bozona koji su elementarne čestice.
- Smatra se petim agregatnim stanjem koje materijali mogu poprimiti.
- Prvi put je primijećen 1995., tako da je prilično nov.
- Ima proces kondenzacije blizu apsolutne nule.
- Super je tekućina, što znači da ima sposobnost tvari da eliminira trenje.
- On je supravodljiv i ima nula električni otpor.
- Poznata je i kao kvantna kocka leda.
Podrijetlo Bose-Einsteinovog kondenzata
Kada je plin zatvoren u spremniku, čestice koje čine plin obično se drže na dovoljnoj udaljenosti jedna od druge da postoji vrlo malo međudjelovanja, osim povremenog sudaranja međusobno i sa stijenkama spremnika. Stoga je izveden dobro poznati model idealnog plina.
Međutim, čestice su u stalnom toplinskom uzburkavanju, a temperatura je odlučujući parametar za brzinu: što je viša temperatura, brže se kreću. Iako brzina svake čestice može varirati, prosječna brzina sustava ostaje konstantna na danoj temperaturi.
Sljedeća važna činjenica je da se materija sastoji od dvije vrste čestica: fermiona i bozona, koje se razlikuju po spinu (intrinzičnom kutnom momentu), koje su potpuno kvantne prirode. Na primjer, elektroni su fermioni s polucijelim spinovima, dok bozoni imaju cjelobrojne spinove, što čini njihovo statističko ponašanje drugačijim.
Fermioni vole biti drugačiji i stoga poštovati Paulijevo načelo isključenja, prema kojem dva fermiona u atomu ne mogu imati isto kvantno stanje. To je razlog zašto se elektroni nalaze u različitim atomskim orbitalama i stoga ne zauzimaju isto kvantno stanje.
Bozoni se, s druge strane, ne pokoravaju principu odbijanja i stoga nemaju ništa protiv zauzimanja istog kvantnog stanja. Težak dio eksperimenta je održati sustav dovoljno hladnim tako da de Broglieva valna duljina ostane visoka.
Znanstvenici iz Colorada to su postigli korištenjem laserski sustav hlađenja koji uključuje direktno udaranje atomskih uzoraka sa šest laserskih zraka, uzrokujući njihovo naglo usporavanje i time uvelike smanjiti njihove toplinske smetnje.
Spori, hladniji atomi zarobljeni su u magnetskom polju, dopuštajući bržim atomima da pobjegnu i dodatno ohlade sustav. Atomi zatvoreni na ovaj način uspjeli su formirati malu mrljicu Bose-Einsteinovog kondenzata na kratko vrijeme, koje je trajalo dovoljno dugo da se zabilježi na slici.
aplikacije
Jedna od primjena Bose-Einsteinovog kondenzata koja najviše obećava je u stvaranje preciznih uređaja za mjerenje vremena i detekciju gravitacijskih valova. Budući da se atomi u kondenzatu kreću kao jedna cjelina, mnogo su točniji od konvencionalnih atomskih satova i mogu se koristiti za mjerenje vremena s neviđenom preciznošću.
Drugi aspekt u kojem se ovo peto agregatno stanje može primijeniti je kvantno računalstvo, koje bi moglo omogućiti stvaranje mnogo moćnijih i učinkovitijih računala od sadašnjih. Atomi u kondenzatu mogu se koristiti kao kubiti, osnovni građevni blokovi kvantnog računala, a njihova bi kvantna svojstva mogla omogućiti puno brže i točnije izračune nego što je to moguće s konvencionalnim računalima. Zbog toga se ovih dana mnogo govori o kvantnim računalima.
Osim toga, Bose-Einsteinov kondenzat također se koristi u istraživanju fizike materijala i stvaranju novih materijala s izvanrednim svojstvima. Na primjer, koristilo se stvoriti supravodljive materijale koji bi mogli revolucionirati elektroničku industriju te omogućiti stvaranje mnogo učinkovitijih i snažnijih uređaja.
Nadam se da s ovim informacijama možete saznati više o Bose-Einsteinovom kondenzatu, njegovim karakteristikama i primjeni.