קונדנסט Bose–Instein

ניתן למצוא חומר במצבי צבירה שונים, ביניהם אנו מוצאים מוצקים, גזים ונוזלים; עם זאת, ישנם סוגים אחרים של מצבים פחות מוכרים, שאחד מהם ידוע בשם קונדנסט Bose-Instein, הנחשב על ידי כימאים, מדענים ופיזיקאים רבים כמצב החמישי של החומר.

במאמר זה אנו הולכים לספר לכם מהו הקונדנסט של Bose-Einstein, המאפיינים שלו, היישומים ועוד הרבה יותר.

מהו הקונדנסט של Bose-Instein

קונדנסט של Bose-Einstein (BEC) הוא מצב מצטבר של חומר, כמו המצבים הרגילים: גזי, נוזלי ומוצק, אבל זה מתרחש בטמפרטורות נמוכות במיוחד, קרוב מאוד לאפס המוחלט.

הוא מורכב מחלקיקים הנקראים בוזונים, שבטמפרטורות אלו שוכנים במצב הקוונטי האנרגטי הנמוך ביותר המכונה מצב הקרקע. אלברט איינשטיין חזה זאת ב-1924 לאחר שקרא מאמר על סטטיסטיקת פוטונים שנשלחה אליו על ידי הפיזיקאי ההודי סטינדרה בוס.

לא קל להשיג את הטמפרטורות הדרושות ליצירת עיבוי Bose-Instein במעבדה, הסיבה לכך שעד 1995 לא ניתן היה לקבל את הטכנולוגיה הדרושה. באותה שנה הצליחו הפיזיקאים האמריקנים אריק קורנל וקרל וימן והפיזיקאי הגרמני וולפגנג קטרל לצפות בעובי Bose-Instein הראשון. מדעני קולורדו השתמשו ברובידיום-87, בעוד קייטל השיג אותו באמצעות גז דליל מאוד של אטומי נתרן.

מכיוון שהניסויים הללו פתחו את הדלת לתחום מחקר חדש של תכונות החומר, קיבלו קטלר, קורנל ווימן את פרס נובל לשנת 2001. בדיוק בגלל הטמפרטורה הנמוכה ביותר, אטומי גז בעלי תכונות מסוימות יוצרים מצב מסודר, כל אלה מצליחים לרכוש את אותה אנרגיה ומומנטום מופחתים, מה שלא קורה בחומר רגיל.

תכונות עיקריות

כפי שהוזכר קודם, לחומר יש לא רק שלושה מצבים בסיסיים של נוזל, מוצק וגז, אלא להיפך, יש מצב רביעי וחמישי שהם פלזמטיים ומיוננים. קונדנסט של Bose-Einstein הוא אחד מהמצבים הללו ויש לו מספר מאפיינים:

• זהו מצב מצטבר המורכב מאוסף של בוזונים שהם חלקיקים יסודיים.
• זה נחשב למצב הצבירה החמישי שחומרים יכולים לקבל.
• זה נצפה לראשונה בשנת 1995, אז זה די חדש.
• יש לו תהליך עיבוי קרוב לאפס המוחלט.
• הוא סופר נוזלי, מה שאומר שיש לו את היכולת של החומר לבטל חיכוך.
• הוא מוליך-על ובעל התנגדות חשמלית אפסית.
• זה ידוע גם בתור קוביית קרח קוונטית.

מקור הקונדנסט של Bose-Instein

כאשר גז סגור במיכל, החלקיקים המרכיבים את הגז נשמרים בדרך כלל במרחק מספיק זה מזה כדי שתהיה אינטראקציה קטנה מאוד, מלבד התנגשות מדי פעם זה בזה ובדפנות המיכל. מכאן נגזר מודל הגז האידיאלי הידוע.

עם זאת, החלקיקים נמצאים בתסיסה תרמית קבועה, והטמפרטורה היא הפרמטר המכריע למהירות: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך הם נעים מהר יותר. למרות שהמהירות של כל חלקיק יכולה להשתנות, המהירות הממוצעת של המערכת נשארת קבועה בטמפרטורה נתונה.

העובדה החשובה הבאה היא שהחומר מורכב משני סוגים של חלקיקים: פרמיונים ובוזונים, הנבדלים בספין שלהם (תנע זוויתי פנימי), שהם קוונטיים לחלוטין בטבעם. לדוגמה, אלקטרונים הם פרמיונים עם ספינים של חצי מספר שלם, בעוד לבוזונים יש ספינים שלמים, מה שהופך את ההתנהגות הסטטיסטית שלהם לשונה.

פרמיונים אוהבים להיות שונים ולכן לציית לעקרון ההדרה של פאולי, לפיו שני פרמיונים באטום אינם יכולים להיות בעלי אותו מצב קוונטי. זו הסיבה לכך שהאלקטרונים נמצאים באורביטלים אטומיים שונים ולכן אינם תופסים את אותו מצב קוונטי.

בוזונים, לעומת זאת, אינם מצייתים לעקרון הדחייה ולכן אין להם התנגדות לכבוש אותו מצב קוונטי. החלק הקשה של הניסוי הוא לשמור על המערכת קרירה מספיק כדי שאורך הגל של דה ברולי יישאר גבוה.

מדעני קולורדו השיגו זאת באמצעות שימוש מערכת קירור לייזר הכוללת פגיעה חזיתית בדגימות אטומיות עם שש קרני לייזר, מה שגורם להם להאט באופן פתאומי ובכך להפחית מאוד את ההפרעות התרמיות שלהם.

האטומים האיטיים והקרירים יותר לכודים בשדה המגנטי, מה שמאפשר לאטומים המהירים יותר לברוח כדי לקרר עוד יותר את המערכת. אטומים שכלואים בדרך זו הצליחו ליצור גוש קטן של עיבוי Bose-Instein לזמן קצר, שנמשך מספיק זמן כדי להירשם בתמונה.

יישומים

אחד היישומים המבטיחים ביותר של הקונדנסט של Bose-Einstein נמצא יצירת מכשירים מדויקים למדידת זמן וגילוי גלי כבידה. מכיוון שהאטומים בקונדנסט נעים כישות אחת, הם הרבה יותר מדויקים משעונים אטומיים רגילים וניתן להשתמש בהם למדידת זמן בדיוק חסר תקדים.

היבט נוסף שבו ניתן ליישם את המצב החמישי הזה של החומר הוא במחשוב קוונטי, שיכול לאפשר יצירת מחשבים הרבה יותר חזקים ויעילים מהנוכחיים. אטומים בקונדנסט יכולים לשמש כקיוביטים, אבני הבניין הבסיסיות של מחשב קוונטי, ותכונותיהם הקוונטיות יכולות לאפשר חישובים מהירים ומדויקים הרבה יותר ממה שניתן במחשבים רגילים. זו הסיבה שמדברים הרבה על מחשבים קוונטיים בימינו.

בנוסף, הקונדנסט של Bose-Einstein משמש גם במחקר פיזיקת חומרים וביצירת חומרים חדשים בעלי תכונות יוצאות דופן. למשל, זה כבר רגיל ליצור חומרים מוליכים שעלולים לחולל מהפכה בתעשיית האלקטרוניקה ולאפשר יצירה של מכשירים הרבה יותר יעילים וחזקים.

אני מקווה שבעזרת המידע הזה תוכלו ללמוד עוד על הקונדנסט של Bose-Einstein, המאפיינים והיישומים שלו.