Vielu var atrast dažādos agregātu stāvokļos, starp kuriem ir cietas vielas, gāzes un šķidrumi; tomēr ir arī citi mazāk zināmu stāvokļu veidi, no kuriem viens ir pazīstams kā Bose-Einšteina kondensāts, ko daudzi ķīmiķi, zinātnieki un fiziķi uzskata par vielas piekto stāvokli.
Šajā rakstā mēs jums pastāstīsim, kas ir Bose-Einstein kondensāts, tā īpašības, pielietojumi un daudz kas cits.
Kas ir Bozes-Einšteina kondensāts
Bozes-Einšteina kondensāts (BEC) ir vielas agregāts, tāpat kā parastie stāvokļi: gāzveida, šķidrs un ciets, bet Tas notiek ārkārtīgi zemā temperatūrā, ļoti tuvu absolūtajai nullei.
Tas sastāv no daļiņām, ko sauc par bozoniem, kas šajās temperatūrās atrodas zemākās enerģijas kvantu stāvoklī, kas pazīstams kā pamatstāvoklis. Alberts Einšteins to paredzēja 1924. gadā pēc tam, kad bija izlasījis rakstu par fotonu statistiku, ko viņam nosūtīja indiešu fiziķis Satjendra Bose.
Laboratorijā nav viegli iegūt temperatūru, kas nepieciešama Bozes-Einšteina kondensātu veidošanai, iemesls, kāpēc līdz 1995. gadam nebija iespējams iegūt nepieciešamo tehnoloģiju. Tajā gadā amerikāņu fiziķiem Ērikam Kornelam un Karlam Vīmanam un vācu fiziķim Volfgangam Keterlam izdevās novērot pirmos Bozes-Einšteina kondensātus. Kolorādo zinātnieki izmantoja rubīdiju-87, savukārt Keitels to ieguva ar ļoti atšķaidītu nātrija atomu gāzi.
Tā kā šie eksperimenti pavēra durvis uz jaunu matērijas īpašību izpētes jomu, Ketlers, Kornels un Vīmans saņēma Nobela prēmiju 2001. gadā. Tieši ārkārtīgi zemās temperatūras dēļ gāzes atomi ar noteiktām īpašībām veido sakārtotu stāvokli. no kuriem visi izdodas iegūt tādu pašu samazinātu enerģiju un impulsu, kas parastajā lietā nenotiek.
galvenās iezīmes
Kā minēts iepriekš, matērijai ir ne tikai trīs pamatstāvokļi - šķidrums, ciets un gāzēts, bet arī gluži pretēji, ir ceturtais un piektais stāvoklis, kas ir plazmatiski un jonizēti. Bozes-Einšteina kondensāts ir viens no šiem stāvokļiem, un tam ir vairākas īpašības:
- Tas ir agregēts stāvoklis, kas sastāv no bozonu kolekcijas, kas ir elementārdaļiņas.
- Tas tiek uzskatīts par piekto agregācijas stāvokli, ko materiāli var pieņemt.
- Pirmo reizi tas tika novērots 1995. gadā, tāpēc tas ir diezgan jauns.
- Tam ir kondensācijas process, kas ir tuvu absolūtai nullei.
- Tas ir īpaši šķidrs, kas nozīmē, ka tam piemīt vielas spēja novērst berzi.
- Tas ir supravadošs un tam nav nulles elektriskās pretestības.
- Tas ir pazīstams arī kā kvantu ledus kubs.
Bozes-Einšteina kondensāta izcelsme
Kad gāze ir ievietota tvertnē, daļiņas, kas veido gāzi, parasti tiek turētas pietiekamā attālumā viena no otras, lai būtu ļoti maza mijiedarbība, izņemot neregulāru sadursmi savā starpā un ar tvertnes sienām. Tādējādi tiek iegūts labi zināms ideālās gāzes modelis.
Tomēr daļiņas atrodas pastāvīgā termiskā maisījumā, un temperatūra ir noteicošais ātruma parametrs: jo augstāka temperatūra, jo ātrāk tie pārvietojas. Lai gan katras daļiņas ātrums var atšķirties, sistēmas vidējais ātrums noteiktā temperatūrā paliek nemainīgs.
Nākamais svarīgais fakts ir tas, ka matērija sastāv no divu veidu daļiņām: fermioniem un bozoniem, kas izceļas ar spinu (iekšējais leņķiskais impulss), kas pēc būtības ir pilnībā kvantu dabā. Piemēram, elektroni ir fermioni ar pusveseliem skaitļiem, savukārt bosoniem ir veseli skaitļi, kas padara to statistisko uzvedību atšķirīgu.
Fermioniem patīk būt savādākiem un tāpēc ievērot Pauli izslēgšanas principu, saskaņā ar kuru diviem fermioniem atomā nevar būt vienāds kvantu stāvoklis. Tas ir iemesls, kāpēc elektroni atrodas dažādās atomu orbitālēs un tāpēc neaizņem vienu un to pašu kvantu stāvokli.
Savukārt bozoni nepakļaujas atgrūšanas principam un tāpēc viņiem nav iebildumu pret to pašu kvantu stāvokli. Eksperimenta sarežģītākā daļa ir uzturēt sistēmu pietiekami vēsu, lai de Broglie viļņa garums paliktu augsts.
Kolorādo zinātnieki to panāca, izmantojot lāzera dzesēšanas sistēma, kas ietver atomu paraugu triecienu ar sešiem lāzera stariem, liekot tiem pēkšņi palēnināt un tādējādi ievērojami samazināt termiskos traucējumus.
Lēnāki, vēsāki atomi tiek iesprostoti magnētiskajā laukā, ļaujot ātrākiem atomiem izkļūt, lai vēl vairāk atdzesētu sistēmu. Šādi norobežotie atomi uz īsu laiku spēja izveidot nelielu Bozes-Einšteina kondensāta lāsumu, kas ilga pietiekami ilgi, lai to ierakstītu attēlā.
pieteikumi
Viens no daudzsološākajiem Bose-Einšteina kondensāta lietojumiem precīzu ierīču izveide laika mērīšanai un gravitācijas viļņu noteikšanai. Tā kā atomi kondensātā pārvietojas kā viena vienība, tie ir daudz precīzāki nekā parastie atompulksteņi, un tos var izmantot, lai mērītu laiku ar nepieredzētu precizitāti.
Vēl viens aspekts, kurā var izmantot šo piekto vielas stāvokli, ir kvantu skaitļošana, kas varētu būt iespējama daudz jaudīgāku un efektīvāku datoru radīšana nekā pašreizējie. Kondensāta atomus var izmantot kā kubitus, kvantu datora pamatelementus, un to kvantu īpašības varētu nodrošināt daudz ātrākus un precīzākus aprēķinus, nekā tas ir iespējams ar parastajiem datoriem. Tāpēc mūsdienās daudz tiek runāts par kvantu datoriem.
Turklāt Bose-Einšteina kondensāts tiek izmantots arī materiālu fizikas pētījumos un jaunu materiālu ar neparastām īpašībām radīšanā. Piemēram, tas ir pieradis radīt supravadošus materiālus, kas varētu mainīt elektronikas nozari un ļauj izveidot daudz efektīvākas un jaudīgākas ierīces.
Es ceru, ka, izmantojot šo informāciju, jūs varat uzzināt vairāk par Bose-Einstein kondensātu, tā īpašībām un pielietojumu.