Jirim boleh didapati dalam pelbagai keadaan agregat, antaranya kita dapati pepejal, gas dan cecair; namun, terdapat jenis keadaan lain yang kurang dikenali, salah satunya dikenali sebagai kondensat Bose–Einstein, dianggap oleh ramai ahli kimia, saintis dan ahli fizik sebagai keadaan jirim yang kelima.
Dalam artikel ini kami akan memberitahu anda apakah kondensat Bose-Einstein, ciri-cirinya, aplikasinya dan banyak lagi.
Apakah kondensat Bose-Einstein
Bose-Einstein Condensate (BEC) ialah keadaan agregat jirim, seperti keadaan biasa: gas, cecair dan pepejal, tetapi Ia berlaku pada suhu yang sangat rendah, sangat hampir dengan sifar mutlak.
Ia terdiri daripada zarah yang dipanggil boson yang, pada suhu ini, berada dalam keadaan kuantum tenaga terendah yang dikenali sebagai keadaan tanah. Albert Einstein meramalkan ini pada tahun 1924 selepas membaca kertas mengenai statistik foton yang dihantar kepadanya oleh ahli fizik India Satyendra Bose.
Bukan mudah untuk mendapatkan suhu yang diperlukan untuk membentuk kondensat Bose-Einstein di makmal, sebab sehingga tahun 1995 tidak mungkin untuk memiliki teknologi yang diperlukan. Pada tahun itu, ahli fizik Amerika Eric Cornell dan Carl Wieman dan ahli fizik Jerman Wolfgang Ketterle berjaya memerhatikan kondensat Bose-Einstein yang pertama. Para saintis Colorado menggunakan rubidium-87, manakala Keitel memperolehnya melalui gas atom natrium yang sangat cair.
Kerana eksperimen ini membuka pintu kepada bidang kajian baharu tentang sifat jirim, Kettler, Cornell, dan Wieman menerima Hadiah Nobel 2001. Justru kerana suhu yang sangat rendah, atom gas dengan sifat tertentu membentuk keadaan tertib, semua itu berjaya memperoleh tenaga dan momentum yang berkurangan yang sama, yang tidak berlaku dalam perkara biasa.
ciri-ciri utama
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, jirim bukan sahaja mempunyai tiga keadaan asas iaitu cecair, pepejal, dan gas, tetapi sebaliknya, terdapat keadaan keempat dan kelima yang bersifat plasmatik dan terion. Kondensat Bose-Einstein adalah salah satu daripada keadaan ini dan mempunyai beberapa ciri:
- Ia adalah keadaan agregat yang terdiri daripada koleksi boson yang merupakan zarah asas.
- Ia dianggap sebagai keadaan pengagregatan kelima yang boleh diandaikan oleh bahan.
- Ia pertama kali diperhatikan pada tahun 1995, jadi ia agak baru.
- Ia mempunyai proses pemeluwapan yang hampir kepada sifar mutlak.
- Ia adalah super cecair, yang bermaksud ia mempunyai keupayaan bahan untuk menghapuskan geseran.
- Ia superkonduktor dan mempunyai rintangan elektrik sifar.
- Ia juga dikenali sebagai kiub ais kuantum.
Asal usul kondensat Bose-Einstein
Apabila gas dimasukkan ke dalam bekas, zarah-zarah yang membentuk gas biasanya disimpan pada jarak yang mencukupi antara satu sama lain sehinggakan terdapat interaksi yang sangat sedikit, selain daripada perlanggaran sekali-sekala antara satu sama lain dan dengan dinding bekas. Oleh itu model gas ideal yang terkenal diperolehi.
Walau bagaimanapun, zarah berada dalam pergolakan haba kekal, dan suhu adalah parameter penentu untuk kelajuan: semakin tinggi suhu, semakin cepat mereka bergerak. Walaupun kelajuan setiap zarah boleh berbeza-beza, kelajuan purata sistem kekal malar pada suhu tertentu.
Fakta penting seterusnya ialah jirim terdiri daripada dua jenis zarah: fermion dan boson, yang dibezakan oleh putarannya (momentum sudut intrinsik), yang sepenuhnya bersifat kuantum. Sebagai contoh, elektron ialah fermion dengan putaran separuh integer, manakala boson mempunyai putaran integer, yang menjadikan gelagat statistiknya berbeza.
Fermion suka berbeza dan oleh itu mematuhi prinsip pengecualian Pauli, mengikut mana dua fermion dalam atom tidak boleh mempunyai keadaan kuantum yang sama. Inilah sebab mengapa elektron berada dalam orbital atom yang berbeza dan oleh itu tidak menduduki keadaan kuantum yang sama.
Boson, sebaliknya, tidak mematuhi prinsip tolakan dan oleh itu tidak mempunyai bantahan untuk menduduki keadaan kuantum yang sama. Bahagian sukar percubaan adalah memastikan sistem cukup sejuk supaya panjang gelombang de Broglie kekal tinggi.
Para saintis Colorado mencapai ini dengan menggunakan sistem penyejukan laser yang melibatkan memukul sampel atom secara langsung dengan enam pancaran laser, menyebabkan mereka tiba-tiba perlahan dan dengan itu mengurangkan gangguan haba mereka.
Atom yang lebih perlahan dan lebih sejuk terperangkap dalam medan magnet, membolehkan atom yang lebih laju melarikan diri untuk menyejukkan lagi sistem. Atom yang terkurung dengan cara ini berjaya membentuk gumpalan kecil kondensat Bose-Einstein untuk masa yang singkat, yang bertahan cukup lama untuk dirakam dalam imej.
aplikasi
Salah satu aplikasi kondensat Bose-Einstein yang paling menjanjikan adalah dalam penciptaan alat ketepatan untuk pengukuran masa dan pengesanan gelombang graviti. Oleh kerana atom dalam kondensat bergerak sebagai satu entiti, ia jauh lebih tepat daripada jam atom konvensional dan boleh digunakan untuk mengukur masa dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini.
Satu lagi aspek di mana keadaan jirim kelima ini boleh digunakan adalah dalam pengkomputeran kuantum, yang boleh membenarkannya penciptaan komputer jauh lebih berkuasa dan cekap daripada yang sedia ada. Atom dalam kondensat boleh digunakan sebagai qubit, blok binaan asas komputer kuantum, dan sifat kuantumnya boleh membolehkan pengiraan lebih cepat dan lebih tepat daripada yang mungkin dengan komputer konvensional. Inilah sebabnya mengapa terdapat banyak perbincangan mengenai komputer kuantum hari ini.
Selain itu, kondensat Bose-Einstein juga digunakan dalam penyelidikan fizik bahan dan dalam penciptaan bahan baharu dengan sifat luar biasa. Sebagai contoh, ia telah digunakan untuk mencipta bahan superkonduktor yang boleh merevolusikan industri elektronik dan membenarkan penciptaan peranti yang lebih cekap dan berkuasa.
Saya berharap dengan maklumat ini anda boleh mengetahui lebih lanjut tentang kondensat Bose-Einstein, ciri-ciri dan aplikasinya.