物質は、固体、気体、液体などのさまざまな集合状態で見られますが、あまり知られていない他の種類の状態もあり、そのうちの XNUMX つは として知られています。 ボーズ・アインシュタイン凝縮、多くの化学者、科学者、物理学者によって物質のXNUMX番目の状態と考えられています。
この記事では、ボース・アインシュタイン凝縮とは何か、その特徴、用途などについて説明します。
ボース・アインシュタイン凝縮とは
ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) は、通常の状態である気体、液体、固体と同様に、物質の集合状態です。 それは絶対零度に非常に近い極低温で発生します。
それはボソンと呼ばれる粒子で構成されており、これらの温度では基底状態として知られる最低エネルギーの量子状態に存在します。 アルバート・アインシュタインは、インドの物理学者サティエンドラ・ボースから送られた光子統計に関する論文を読んだ後、1924XNUMX年にこれを予測しました。
実験室でボース・アインシュタイン凝縮を形成するのに必要な温度を得るのは簡単ではありません。 1995年まで必要な技術を入手できなかった理由。 その年、アメリカの物理学者エリック・コーネルとカール・ウィーマン、そしてドイツの物理学者ヴォルフガング・ケッターレが最初のボース・アインシュタイン凝縮の観察に成功した。 コロラド州の科学者はルビジウム 87 を使用しましたが、カイテルはナトリウム原子の高度に希釈されたガスを通じてルビジウム XNUMX を入手しました。
これらの実験は物質の性質に関する新しい研究分野への扉を開いたので、ケトラー、コーネル、ウィーマンは 2001 年にノーベル賞を受賞しました。全てが 同じ減少したエネルギーと勢いをなんとか獲得する、通常の事柄では起こりません。
主要な機能
前述したように、物質には液体、固体、気体の XNUMX つの基本状態があるだけでなく、その逆に、 プラズマ状態とイオン化状態の XNUMX 番目と XNUMX 番目の状態があります。 ボース アインシュタイン凝縮はこれらの状態の XNUMX つであり、いくつかの特徴があります。
- 素粒子であるボソンが集まってできた集合状態です。
- これは、材料が取り得る凝集の XNUMX 番目の状態と考えられています。
- 初めて観測されたのは1995年なので、かなり新しいものです。
- 絶対零度に近い凝縮プロセスを持っています。
- これは超流動性であり、摩擦を排除する物質の能力を備えていることを意味します。
- それは超電導であり、電気抵抗はゼロです。
- 量子氷としても知られています。
ボース・アインシュタイン凝縮の起源
ガスが容器内に封入されている場合、ガスを構成する粒子は通常、互いに十分な距離を保たれているため、粒子同士や容器の壁と時折衝突することは別として、相互作用はほとんどありません。 したがって、よく知られている理想気体モデルが導出されます。
ただし、粒子は永続的に熱撹拌されており、温度が速度の決定的なパラメータになります。 温度が高いほど、動きは速くなります。 各粒子の速度は変化する可能性がありますが、システムの平均速度は所定の温度では一定のままです。
次に重要な事実は、物質は XNUMX 種類の粒子、つまりスピン (固有角運動量) によって区別されるフェルミ粒子とボソンで構成されており、本質的には完全に量子であるということです。 たとえば、電子は半整数スピンを持つフェルミ粒子ですが、ボソンは整数スピンを持つため、統計的な挙動が異なります。
フェルミオンは異なるものを好むため、 パウリの排他原則に従う、それによると、原子内の XNUMX つのフェルミ粒子は同じ量子状態を持つことはできません。 これが、電子が異なる原子軌道にあり、したがって同じ量子状態を占めない理由です。
一方、ボソンは反発原理に従わないため、同じ量子状態を占めることに何の抵抗もありません。 実験の難しい部分は、ドブロイ波長を高く保つためにシステムを十分に冷却することです。
コロラド州の科学者は、次の方法を使用してこれを達成しました。 XNUMX本のレーザービームを原子サンプルに正面から当てるレーザー冷却システム、 これにより、突然速度が低下し、熱擾乱が大幅に減少します。
速度が遅く温度の低い原子は磁場に閉じ込められ、速度の速い原子が逃げて系をさらに冷却することができます。 このように閉じ込められた原子は、短時間でボース・アインシュタイン凝縮の小さな塊を形成することができ、それは画像に記録されるのに十分な時間持続した。
アプリケーション
ボース・アインシュタイン凝縮の最も有望な応用例の XNUMX つは、 時間の測定と重力波の検出のための精密装置の作成。 凝縮体内の原子は単一の実体として運動するため、従来の原子時計よりもはるかに正確で、前例のない精度で時間を測定するために使用できます。
この物質の第 XNUMX 状態を適用できるもう XNUMX つの側面は、量子コンピューティングです。 現在のものよりもはるかに強力で効率的なコンピューターの作成。 凝縮物中の原子は、量子コンピューターの基本構成要素である量子ビットとして使用でき、その量子特性により、従来のコンピューターで可能であったものよりもはるかに高速かつ正確な計算が可能になります。 最近、量子コンピューターについての話題が多いのはこのためです。
さらに、ボース・アインシュタイン凝縮は、材料物理学の研究や、驚くべき特性を備えた新材料の作成にも使用されます。 たとえば、これまでに使用されてきたのは、 エレクトロニクス産業に革命をもたらす可能性のある超電導材料を作成する より効率的で強力なデバイスの作成が可能になります。
この情報により、ボース・アインシュタイン凝縮、その特徴、応用についてさらに詳しく知ることができれば幸いです。