Az anyagok különböző halmazállapotúak, köztük szilárd halmazállapotúak, gázok és folyékony halmazállapotúak is, de vannak más kevésbé ismert halmazállapotok is, amelyek közül az egyik az ún. Bose-Einstein kondenzátum, amelyet sok kémikus, tudós és fizikus az anyag ötödik halmazállapotának tekint.
Ebben a cikkben elmondjuk, mi a Bose-Einstein kondenzátum, jellemzői, alkalmazásai és még sok más.
Mi az a Bose-Einstein kondenzátum?
A Bose-Einstein kondenzátum (BEC) az anyag halmazállapota, mint a szokásos állapotok: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotú, de Rendkívül alacsony hőmérsékleten, az abszolút nullához nagyon közel fordul elő.
Bozonoknak nevezett részecskékből áll, amelyek ezeken a hőmérsékleteken a legalacsonyabb energiájú kvantumállapotban, úgynevezett alapállapotban vannak. Albert Einstein ezt jósolta 1924-ben, miután elolvasta Satyendra Bose indiai fizikustól a fotonstatisztikáról szóló tanulmányát.
Nem könnyű elérni a Bose-Einstein kondenzátumok laboratóriumi előállításához szükséges hőmérsékletet, Ennek oka, hogy 1995-ig nem lehetett rendelkezni a szükséges technológiával. Abban az évben Eric Cornell és Carl Wieman amerikai fizikusoknak, valamint Wolfgang Ketterle német fizikusnak sikerült megfigyelniük az első Bose-Einstein kondenzátumot. A coloradói tudósok rubídium-87-et használtak, míg Keitel egy erősen híg nátriumatom gázon keresztül szerezte meg.
Mivel ezek a kísérletek az anyag tulajdonságainak új kutatási területe előtt nyitották meg a kaput, Kettler, Cornell és Wieman 2001-ben Nobel-díjat kapott, éppen a rendkívül alacsony hőmérséklet miatt bizonyos tulajdonságokkal rendelkező gázatomok rendezett állapotot alkotnak. amelyek mindegyike sikerül megszereznie ugyanazt a csökkentett energiát és lendületet, ami a hétköznapi dolgokban nem történik meg.
Főbb jellemzők
Mint korábban említettük, az anyagnak nemcsak három alapvető állapota van: folyékony, szilárd és gáz, hanem éppen ellenkezőleg, van egy negyedik és egy ötödik állapot, amelyek plazmatikusak és ionizáltak. A Bose-Einstein kondenzátum az egyik ilyen állapot, és számos jellemzővel rendelkezik:
- Ez egy aggregált állapot, amely bozonok gyűjteményéből áll, amelyek elemi részecskék.
- Ez az ötödik aggregációs állapot, amelyet az anyagok felvehetnek.
- Először 1995-ben figyelték meg, tehát elég új.
- Abszolút nullához közeli kondenzációs folyamata van.
- Szuperfolyékony, ami azt jelenti, hogy az anyag képes megszüntetni a súrlódást.
- Szupravezető, elektromos ellenállása nulla.
- Kvantumjégkockaként is ismert.
A Bose-Einstein kondenzátum eredete
Ha egy gázt egy tartályba zárnak, a gázt alkotó részecskéket általában megfelelő távolságban tartják egymástól, hogy nagyon csekély kölcsönhatás léphessen fel, eltekintve attól, hogy alkalmanként ütköznek egymással és a tartály falaival. Ebből származik a jól ismert ideális gázmodell.
A részecskék azonban állandó hőkeverésben vannak, és a hőmérséklet a döntő paraméter a sebesség szempontjából: minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban mozognak. Bár az egyes részecskék sebessége változhat, a rendszer átlagos sebessége egy adott hőmérsékleten állandó marad.
A következő fontos tény az, hogy az anyag kétféle részecskéből áll: fermionokból és bozonokból, amelyek spinükkel (belső szögmomentum) különböztethetők meg, amelyek természetükben teljesen kvantum jellegűek. Például az elektronok fermionok félegész spinekkel, míg a bozonok egész számokkal rendelkeznek, ami eltérővé teszi statisztikai viselkedésüket.
A fermionok szeretnek különbözni és ezért engedelmeskedjen a Pauli-féle kizárási elvnek, amely szerint egy atomban két fermion nem rendelkezhet azonos kvantumállapottal. Ez az oka annak, hogy az elektronok különböző atomi pályákon vannak, és ezért nem ugyanazt a kvantumállapotot foglalják el.
A bozonok viszont nem engedelmeskednek a taszítás elvének, ezért nincs kifogásuk az ellen, hogy ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalják. A kísérlet legnehezebb része az, hogy a rendszert elég hidegen tartsuk, hogy a de Broglie hullámhossz magas maradjon.
A coloradói tudósok ezt a felhasználással érték el lézeres hűtőrendszer, amely magában foglalja az atomminták hat lézersugárral történő frontális ütközését, amitől hirtelen lelassulnak és így nagymértékben csökkentik hőzavaraikat.
A lassabb, hidegebb atomok csapdába esnek a mágneses térben, így a gyorsabb atomok kiszabadulhatnak, hogy tovább hűtsék a rendszert. Az így bezárt atomoknak sikerült rövid időre egy kis foltot képezniük a Bose-Einstein kondenzátumból, ami elég sokáig tartott ahhoz, hogy egy képen rögzíthető legyen.
alkalmazások
A Bose-Einstein kondenzátum egyik legígéretesebb alkalmazási területe precíziós eszközök létrehozása az idő mérésére és a gravitációs hullámok detektálására. Mivel a kondenzátum atomjai egyetlen egységként mozognak, sokkal pontosabbak, mint a hagyományos atomórák, és példátlan pontossággal használhatók az idő mérésére.
Egy másik szempont, ahol az anyagnak ez az ötödik halmazállapota alkalmazható, a kvantumszámítás, amely lehetővé tenné a jelenleginél sokkal erősebb és hatékonyabb számítógépek létrehozása. A kondenzátum atomjai qubitként, a kvantumszámítógép alapvető építőköveként használhatók, és kvantumtulajdonságaik sokkal gyorsabb és pontosabb számításokat tesznek lehetővé, mint a hagyományos számítógépekkel. Éppen ezért manapság sok szó esik a kvantumszámítógépekről.
Ezenkívül a Bose-Einstein kondenzátumot anyagfizikai kutatásokban és új, rendkívüli tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozásában is használják. Például megszokták szupravezető anyagokat hozzon létre, amelyek forradalmasíthatják az elektronikai ipart és lehetővé teszik sokkal hatékonyabb és erősebb eszközök létrehozását.
Remélem, hogy ezen információk birtokában többet megtudhat a Bose-Einstein kondenzátumról, annak jellemzőiről és alkalmazásairól.