Bose-Einstein կոնդենսատ

Նյութը կարելի է գտնել տարբեր ագրեգատային վիճակներում, որոնց թվում կան պինդ, գազեր և հեղուկներ, սակայն կան նաև այլ տեսակի քիչ հայտնի վիճակներ, որոնցից մեկը հայտնի է որպես. Բոզե-Էյնշտեյն կոնդենսատ, որը շատ քիմիկոսների, գիտնականների և ֆիզիկոսների կողմից համարվում է նյութի հինգերորդ վիճակ։

Այս հոդվածում մենք ձեզ կպատմենք, թե որն է Bose-Einstein կոնդենսատը, դրա բնութագրերը, կիրառությունները և շատ ավելին:

Ինչ է Բոզ-Էյնշտեյն կոնդենսատը

Bose-Einstein Condensate (BEC) նյութի ագրեգատային վիճակ է, ինչպես սովորական վիճակները՝ գազային, հեղուկ և պինդ, բայց Այն տեղի է ունենում չափազանց ցածր ջերմաստիճանի դեպքում՝ բացարձակ զրոյին շատ մոտ:

Այն բաղկացած է բոզոն կոչվող մասնիկներից, որոնք այս ջերմաստիճաններում գտնվում են ամենացածր էներգիայի քվանտային վիճակում, որը հայտնի է որպես հիմնական վիճակ: Ալբերտ Էյնշտեյնը դա կանխատեսել է 1924 թվականին՝ կարդալով ֆոտոնների վիճակագրության մասին հոդվածը, որն իրեն ուղարկել էր հնդիկ ֆիզիկոս Սաթիենդրա Բոզը:

Բոզե-Էյնշտեյնի կոնդենսատների ձևավորման համար լաբորատոր պայմաններում հեշտ չէ ստանալ ջերմաստիճանը, պատճառը, թե ինչու մինչև 1995 թվականը հնարավոր չէր ունենալ անհրաժեշտ տեխնոլոգիա. Այդ տարի ամերիկացի ֆիզիկոսներ Էրիկ Քորնելը և Կառլ Վիմանը և գերմանացի ֆիզիկոս Վոլֆգանգ Քեթերլեն կարողացան դիտարկել Բոզե-Էյնշտեյնի առաջին կոնդենսատները։ Կոլորադոյի գիտնականներն օգտագործել են ռուբիդիում-87, մինչդեռ Քեյթելն այն ստացել է նատրիումի ատոմների խիստ նոսր գազի միջոցով:

Քանի որ այս փորձերը բացեցին նյութի հատկությունների ուսումնասիրության նոր դաշտի դուռ, Քեթլերը, Քորնելը և Վիմանը ստացան 2001 թվականի Նոբելյան մրցանակը: Հենց չափազանց ցածր ջերմաստիճանի պատճառով է, որ գազի ատոմները որոշակի հատկություններով կազմում են կարգավորված վիճակ, այդ բոլորը կարողանում է ձեռք բերել նույն նվազեցված էներգիան և թափը, ինչը սովորական հարցում չի լինում։

հիմնական հատկանիշները

Ինչպես արդեն նշվեց, նյութը ոչ միայն ունի երեք հիմնական վիճակներ՝ հեղուկ, պինդ և գազ, այլ ընդհակառակը. կա չորրորդ և հինգերորդ վիճակ, որոնք պլազմատիկ են և իոնացված: Bose-Einstein կոնդենսատը այս վիճակներից մեկն է և ունի մի քանի բնութագրեր.

• Այն ագրեգատային վիճակ է, որը կազմված է բոզոնների հավաքածուից, որոնք տարրական մասնիկներ են:
• Այն համարվում է ագրեգացման հինգերորդ վիճակը, որը նյութերը կարող են ենթադրել:
• Այն առաջին անգամ նկատվել է 1995 թվականին, ուստի այն բավականին նոր է:
• Այն ունի բացարձակ զրոյին մոտ խտացման պրոցես։
• Այն գերհեղուկ է, ինչը նշանակում է, որ այն ունի նյութի կարողությունը վերացնելու շփումը:
• Այն գերհաղորդիչ է և ունի զրոյական էլեկտրական դիմադրություն։
• Այն նաև հայտնի է որպես քվանտային սառույցի խորանարդ:

Բոզե-Էյնշտեյն կոնդենսատի ծագումը

Երբ գազը փակվում է տարայի մեջ, գազը կազմող մասնիկները սովորաբար պահվում են միմյանցից բավականաչափ հեռավորության վրա, որպեսզի փոխազդեցությունը շատ քիչ լինի՝ բացի միմյանց և տարայի պատերի հետ երբեմն բախումից: Այստեղից էլ ստացվում է հայտնի իդեալական գազի մոդելը:

Այնուամենայնիվ, մասնիկները գտնվում են մշտական ​​ջերմային գրգռման մեջ, և ջերմաստիճանը որոշիչ պարամետր է արագության համար. որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արագ են շարժվում. Չնայած յուրաքանչյուր մասնիկի արագությունը կարող է տարբեր լինել, համակարգի միջին արագությունը տվյալ ջերմաստիճանում մնում է հաստատուն:

Հաջորդ կարևոր փաստն այն է, որ նյութը բաղկացած է երկու տեսակի մասնիկներից՝ ֆերմիոններից և բոզոններից, որոնք առանձնանում են իրենց սպինով (ներքին անկյունային իմպուլս), որոնք իրենց բնույթով լիովին քվանտային են։ Օրինակ՝ էլեկտրոնները ֆերմիոններ են՝ կիսով չափ սպիններով, մինչդեռ բոզոններն ունեն ամբողջ թվով սպիններ, ինչը նրանց վիճակագրական վարքագիծը տարբեր է դարձնում։

Ֆերմիոնները սիրում են տարբեր լինել և հետևաբար ենթարկվել Պաուլիի բացառման սկզբունքին, ըստ որի ատոմում երկու ֆերմիոններ չեն կարող ունենալ նույն քվանտային վիճակը։ Սա է պատճառը, որ էլեկտրոնները գտնվում են տարբեր ատոմային ուղեծրերում և, հետևաբար, չեն զբաղեցնում նույն քվանտային վիճակը։

Մյուս կողմից, բոզոնները չեն ենթարկվում վանման սկզբունքին և, հետևաբար, առարկություն չունեն զբաղեցնելու նույն քվանտային վիճակը։ Փորձի դժվար մասը համակարգը բավականաչափ սառը պահելն է, որպեսզի դը Բրոյլի ալիքի երկարությունը բարձր մնա:

Կոլորադոյի գիտնականները դա արել են՝ օգտագործելով լազերային հովացման համակարգ, որը ներառում է ատոմային նմուշների դեմ առ դեմ հարվածներ վեց լազերային ճառագայթներով, պատճառելով նրանց հանկարծակի դանդաղեցման և դրանով իսկ մեծապես նվազեցնելով նրանց ջերմային խանգարումները:

Ավելի դանդաղ, սառը ատոմները թակարդում են մագնիսական դաշտում, ինչը թույլ է տալիս ավելի արագ ատոմներին փախչել՝ համակարգը հետագայում սառեցնելու համար: Այս կերպ սահմանափակված ատոմներին հաջողվել է կարճ ժամանակով ձևավորել Բոզ-Էյնշտեյն կոնդենսատի մի փոքրիկ բշտիկ, որը բավական երկար է տևել պատկերի մեջ գրանցվելու համար:

դիմումները

Բոզե-Էյնշտեյն կոնդենսատի ամենահեռանկարային կիրառություններից մեկը գտնվում է ժամանակի չափման և գրավիտացիոն ալիքների հայտնաբերման ճշգրիտ սարքերի ստեղծում։ Քանի որ կոնդենսատի ատոմները շարժվում են որպես մեկ ամբողջություն, դրանք շատ ավելի ճշգրիտ են, քան սովորական ատոմային ժամացույցները և կարող են օգտագործվել ժամանակն աննախադեպ ճշգրտությամբ չափելու համար:

Մեկ այլ ասպեկտ, որտեղ նյութի այս հինգերորդ վիճակը կարող է կիրառվել, քվանտային հաշվարկն է, որը կարող է թույլ տալ ներկայիս համակարգիչների ստեղծումը շատ ավելի հզոր և արդյունավետ. Կոնդենսատի ատոմները կարող են օգտագործվել որպես քյուբիթներ՝ քվանտային համակարգչի հիմնական կառուցողական բլոկները, և դրանց քվանտային հատկությունները կարող են թույլ տալ շատ ավելի արագ և ճշգրիտ հաշվարկներ, քան հնարավոր է սովորական համակարգիչների դեպքում: Սա է պատճառը, որ մեր օրերում շատ է խոսվում քվանտային համակարգիչների մասին:

Բացի այդ, Bose-Einstein կոնդենսատը օգտագործվում է նաև նյութերի ֆիզիկայի հետազոտության և արտասովոր հատկություններով նոր նյութերի ստեղծման մեջ: Օրինակ՝ սովոր է եղել ստեղծել գերհաղորդիչ նյութեր, որոնք կարող են հեղափոխել էլեկտրոնիկայի արդյունաբերությունը և թույլ են տալիս ստեղծել շատ ավելի արդյունավետ և հզոր սարքեր:

Հուսով եմ, որ այս տեղեկատվության շնորհիվ դուք կարող եք ավելին իմանալ Bose-Einstein կոնդենսատի, դրա բնութագրերի և կիրառությունների մասին: