Bose-Einstein þéttivatn

Efni er að finna í ýmsum samsöfnunarástandum, þar á meðal finnum við föst efni, lofttegundir og vökva; hins vegar eru aðrar tegundir minna þekktra ástanda, þar af eitt þekkt sem Bose-Einstein þéttivatn, talið af mörgum efnafræðingum, vísindamönnum og eðlisfræðingum sem fimmta ástand efnisins.

Í þessari grein ætlum við að segja þér hvað Bose-Einstein þéttivatnið er, eiginleika þess, notkun og margt fleira.

Hvað er Bose-Einstein þéttingin

Bose-Einstein Condensate (BEC) er samansafnað ástand efnis, eins og venjulega ástand: loftkennt, fljótandi og fast, en Það gerist við mjög lágt hitastig, mjög nálægt algeru núlli.

Það samanstendur af ögnum sem kallast bósón sem, við þetta hitastig, búa í lægsta orku skammtaástandi sem kallast grunnástand. Albert Einstein spáði þessu árið 1924 eftir að hafa lesið grein um ljóseindatölfræði sem indverski eðlisfræðingurinn Satyendra Bose sendi honum.

Það er ekki auðvelt að ná því hitastigi sem þarf til að mynda Bose-Einstein þéttiefni á rannsóknarstofunni, ástæða þess að fram til 1995 var ekki hægt að hafa nauðsynlega tækni. Það ár tókst bandarísku eðlisfræðingunum Eric Cornell og Carl Wieman og þýska eðlisfræðingnum Wolfgang Ketterle að fylgjast með fyrstu Bose-Einstein þéttingunni. Vísindamennirnir í Colorado notuðu rúbídíum-87 en Keitel fékk það í gegnum mjög þynnt gas af natríumatómum.

Vegna þess að þessar tilraunir opnuðu dyrnar að nýju fræðasviði á eiginleikum efnis fengu Kettler, Cornell og Wieman Nóbelsverðlaunin 2001. Það er einmitt vegna ofur lágs hitastigs sem gasatóm með ákveðna eiginleika mynda skipað ástand, sem allt ná sömu minni orku og skriðþunga, sem gerist ekki í venjulegu efni.

helstu eiginleikar

Eins og áður hefur komið fram hefur efni ekki aðeins þrjú grunnástand vökva, fasts og gass, heldur þvert á móti, það er fjórða og fimmta ástand sem eru plasma- og jónuð. Bose-Einstein þéttivatn er eitt af þessum ríkjum og hefur nokkra eiginleika:

• Það er heildarástand sem samanstendur af safni bósóna sem eru grunnagnir.
• Það er talið fimmta samsöfnunarástandið sem efni geta gert ráð fyrir.
• Það sást fyrst árið 1995, svo það er frekar nýtt.
• Það hefur þéttingarferli nálægt algjöru núlli.
• Það er ofurvökvi, sem þýðir að það hefur getu efnisins til að útrýma núningi.
• Það er ofurleiðandi og hefur núll rafviðnám.
• Það er einnig þekkt sem skammtaísmoli.

Uppruni Bose-Einstein þéttivatnsins

Þegar gas er lokað í ílát eru agnirnar sem mynda gasið venjulega í nægilega mikilli fjarlægð frá hvor annarri til að mjög lítil samskipti verði, fyrir utan einstaka árekstur hver við aðra og við veggi ílátsins. Þess vegna er hið vel þekkta hugsjónagaslíkan fengið.

Hins vegar eru agnirnar í varanlegum hitauppstreymi og hitastigið er afgerandi breytu fyrir hraðann: því hærra sem hitastigið er, því hraðar hreyfast þeir. Þó að hraði hverrar agna geti verið breytilegur, helst meðalhraði kerfisins stöðugur við tiltekið hitastig.

Næsta mikilvæga staðreyndin er sú að efni samanstendur af tvenns konar ögnum: fermjónum og bósónum, aðgreindar með snúningi sínum (innri skriðþunga skriðþunga), sem eru algjörlega skammtafræðilegar í eðli sínu. Til dæmis eru rafeindir fermjónir með hálfheiltölusnúningum, en bósónar eru með heiltölusnúningum, sem gerir tölfræðilega hegðun þeirra öðruvísi.

Fermjónum finnst gaman að vera öðruvísi og þess vegna hlýða Pauli útilokunarreglunni, samkvæmt því geta tvær fermjónir í atómi ekki haft sama skammtaástand. Þetta er ástæðan fyrir því að rafeindirnar eru á mismunandi lotubrautum og eru því ekki í sama skammtaástandi.

Bóson hlýða aftur á móti ekki fráhrindingarreglunni og hafa því ekkert á móti því að vera í sama skammtaástandi. Erfiði hluti tilraunarinnar er að halda kerfinu nógu köldu þannig að de Broglie bylgjulengdin haldist há.

Colorado vísindamennirnir náðu þessu með því að nota leysikælikerfi sem felur í sér að lemja atómsýni beint á móti með sex leysigeislum, sem veldur því að þeir hægja skyndilega á sér og draga þannig mjög úr hitatruflunum.

Hægari, kaldari atómin eru föst í segulsviðinu, sem gerir hraðari atómum kleift að flýja til að kæla kerfið enn frekar. Atóm sem voru bundin á þennan hátt náðu í stuttan tíma að mynda lítinn klump af Bose-Einstein þéttivatninu sem varði nógu lengi til að hægt væri að skrá það á mynd.

umsóknir

Ein vænlegasta notkun Bose-Einstein þéttivatnsins er í gerð nákvæmnistækja til að mæla tíma og greina þyngdarbylgjur. Vegna þess að atómin í þéttingu hreyfast sem ein heild eru þau mun nákvæmari en hefðbundnar atómklukkur og hægt að nota þær til að mæla tíma með áður óþekktri nákvæmni.

Annar þáttur þar sem hægt er að beita þessu fimmta ástandi efnis er í skammtafræði, sem gæti leyft að búa til tölvur sem eru mun öflugri og skilvirkari en þær sem nú eru. Atóm í þéttivatni er hægt að nota sem qubits, grunnbyggingareiningar skammtatölvu, og skammtaeiginleikar þeirra gætu gert mun hraðari og nákvæmari útreikninga en hægt er með hefðbundnum tölvum. Þess vegna er mikið talað um skammtatölvur þessa dagana.

Að auki er Bose-Einstein þéttiefnið einnig notað í efnisfræðirannsóknum og við sköpun nýrra efna með óvenjulega eiginleika. Það hefur til dæmis verið vant búa til ofurleiðandi efni sem gætu gjörbylt rafeindaiðnaðinum og gera kleift að búa til mun skilvirkari og öflugri tæki.

Ég vona að með þessum upplýsingum getið þið lært meira um Bose-Einstein þéttivatnið, eiginleika þess og notkun.