Materie kan in verschillende geaggregeerde toestanden worden aangetroffen, waaronder vaste stoffen, gassen en vloeistoffen; er zijn echter andere soorten minder bekende toestanden, waarvan er één bekend staat als Bose-Einstein condensaat, door veel scheikundigen, wetenschappers en natuurkundigen beschouwd als de vijfde toestand van de materie.
In dit artikel gaan we je vertellen wat het Bose-Einstein-condensaat is, de kenmerken, toepassingen en nog veel meer.
Wat is het Bose-Einstein-condensaat
Een Bose-Einstein-condensaat (BEC) is een geaggregeerde toestand van materie, zoals de gebruikelijke toestanden: gasvormig, vloeibaar en vast, maar Het komt voor bij extreem lage temperaturen, heel dicht bij het absolute nulpunt.
Het bestaat uit deeltjes die bosonen worden genoemd en die zich bij deze temperaturen bevinden in de kwantumtoestand met de laagste energie die bekend staat als de grondtoestand. Albert Einstein voorspelde dit in 1924 na het lezen van een artikel over fotonenstatistieken dat hem was toegestuurd door de Indiase natuurkundige Satyendra Bose.
Het is niet eenvoudig om in het laboratorium de temperaturen te verkrijgen die nodig zijn om Bose-Einstein-condensaten te vormen, reden waarom het tot 1995 niet mogelijk was om over de benodigde technologie te beschikken. Dat jaar slaagden de Amerikaanse natuurkundigen Eric Cornell en Carl Wieman en de Duitse natuurkundige Wolfgang Ketterle erin de eerste Bose-Einstein-condensaten waar te nemen. De Colorado-wetenschappers gebruikten rubidium-87, terwijl Keitel het verkreeg door een sterk verdund gas van natriumatomen.
Omdat deze experimenten de deur openden naar een nieuw studiegebied van de eigenschappen van materie, ontvingen Kettler, Cornell en Wieman de Nobelprijs van 2001. Juist vanwege de extreem lage temperatuur vormen gasatomen met bepaalde eigenschappen een geordende toestand, die allemaal erin slagen om dezelfde verminderde energie en momentum te verwerven, wat in de gewone zaak niet gebeurt.
hoofdkenmerken
Zoals eerder vermeld, heeft materie niet alleen drie basistoestanden van vloeistof, vaste stof en gas, maar integendeel, er is een vierde en een vijfde toestand die plasmatisch en geïoniseerd zijn. Een Bose-Einstein-condensaat is een van deze toestanden en heeft verschillende kenmerken:
- Het is een geaggregeerde toestand die bestaat uit een verzameling bosonen die elementaire deeltjes zijn.
- Het wordt beschouwd als de vijfde aggregatietoestand die materialen kunnen aannemen.
- Het werd voor het eerst waargenomen in 1995, dus het is vrij nieuw.
- Het heeft een condensatieproces dat dicht bij het absolute nulpunt ligt.
- Het is supervloeibaar, wat betekent dat het het vermogen van de stof heeft om wrijving te elimineren.
- Het is supergeleidend en heeft geen elektrische weerstand.
- Het staat ook bekend als een kwantumijsblokje.
Oorsprong van het Bose-Einstein condensaat
Wanneer een gas in een container wordt opgesloten, worden de deeltjes waaruit het gas bestaat normaal gesproken op voldoende afstand van elkaar gehouden zodat er zeer weinig interactie is, afgezien van incidentele botsingen met elkaar en met de wanden van de container. Vandaar dat het bekende ideale gasmodel is afgeleid.
De deeltjes zijn echter permanent thermisch in beweging en de temperatuur is de doorslaggevende parameter voor de snelheid: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller ze bewegen. Hoewel de snelheid van elk deeltje kan variëren, blijft de gemiddelde snelheid van het systeem constant bij een bepaalde temperatuur.
Het volgende belangrijke feit is dat materie uit twee soorten deeltjes bestaat: fermionen en bosonen, die zich onderscheiden door hun spin (intrinsiek impulsmoment), die volledig kwantum van aard zijn. Elektronen zijn bijvoorbeeld fermionen met spins van een half geheel getal, terwijl bosonen spins van gehele getallen hebben, waardoor hun statistische gedrag anders is.
Fermionen zijn graag anders en daarom gehoorzamen aan het uitsluitingsprincipe van Pauli, volgens welke twee fermionen in een atoom niet dezelfde kwantumtoestand kunnen hebben. Dit is de reden waarom de elektronen zich in verschillende atomaire orbitalen bevinden en daarom niet dezelfde kwantumtoestand innemen.
Bosonen gehoorzamen daarentegen niet aan het afstotingsprincipe en hebben er daarom geen bezwaar tegen om dezelfde kwantumtoestand in te nemen. Het moeilijke deel van het experiment is om het systeem koel genoeg te houden zodat de de Broglie-golflengte hoog blijft.
De Colorado-wetenschappers bereikten dit door te gebruiken een laserkoelsysteem waarbij atomaire monsters frontaal worden geraakt met zes laserstralen, waardoor ze plotseling vertragen en zo hun thermische verstoringen sterk verminderen.
De langzamere, koelere atomen zitten gevangen in het magnetische veld, waardoor de snellere atomen kunnen ontsnappen om het systeem verder af te koelen. Op deze manier opgesloten atomen slaagden erin om gedurende een korte tijd een kleine klodder van het Bose-Einstein-condensaat te vormen, die lang genoeg duurde om in een beeld te worden vastgelegd.
toepassingen
Een van de meest veelbelovende toepassingen van het Bose-Einstein-condensaat is in het creëren van precisie-apparaten voor het meten van tijd en het detecteren van zwaartekrachtgolven. Omdat de atomen in een condensaat als één geheel bewegen, zijn ze veel nauwkeuriger dan conventionele atoomklokken en kunnen ze worden gebruikt om de tijd met ongekende precisie te meten.
Een ander aspect waar deze vijfde toestand van materie kan worden toegepast, is in kwantumcomputing, wat dit mogelijk zou kunnen maken de creatie van computers die veel krachtiger en efficiënter zijn dan de huidige. Atomen in een condensaat kunnen worden gebruikt als qubits, de basisbouwstenen van een kwantumcomputer, en hun kwantumeigenschappen kunnen veel snellere en nauwkeurigere berekeningen mogelijk maken dan met conventionele computers mogelijk is. Daarom wordt er tegenwoordig veel over kwantumcomputers gesproken.
Daarnaast wordt het Bose-Einstein-condensaat ook gebruikt bij materiaalfysisch onderzoek en bij het creëren van nieuwe materialen met buitengewone eigenschappen. Het is bijvoorbeeld gewend supergeleidende materialen creëren die een revolutie teweeg kunnen brengen in de elektronica-industrie en de creatie van veel efficiëntere en krachtigere apparaten mogelijk maken.
Ik hoop dat u met deze informatie meer te weten kunt komen over het Bose-Einstein-condensaat, de kenmerken en toepassingen ervan.