Materie kan finnes i forskjellige aggregattilstander, blant annet finner vi faste stoffer, gasser og væsker; det finnes imidlertid andre typer mindre kjente tilstander, hvorav en er kjent som Bose-Einstein kondensat, betraktet av mange kjemikere, forskere og fysikere som materiens femte tilstand.
I denne artikkelen skal vi fortelle deg hva Bose-Einstein-kondensatet er, dets egenskaper, bruksområder og mye mer.
Hva er Bose-Einstein-kondensatet
Et Bose-Einstein-kondensat (BEC) er en aggregert tilstand av materie, som de vanlige tilstandene: gassformig, flytende og fast, men Det skjer ved ekstremt lave temperaturer, veldig nær det absolutte nullpunktet.
Den består av partikler kalt bosoner som ved disse temperaturene befinner seg i den laveste energikvantetilstanden kjent som grunntilstanden. Albert Einstein spådde dette i 1924 etter å ha lest en artikkel om fotonstatistikk sendt til ham av den indiske fysikeren Satyendra Bose.
Det er ikke lett å oppnå de temperaturene som trengs for å danne Bose-Einstein-kondensat i laboratoriet, grunnen til at det frem til 1995 ikke var mulig å ha nødvendig teknologi. Det året klarte de amerikanske fysikerne Eric Cornell og Carl Wieman og den tyske fysikeren Wolfgang Ketterle å observere de første Bose-Einstein-kondensatene. Colorado-forskerne brukte rubidium-87, mens Keitel fikk det gjennom en svært fortynnet gass av natriumatomer.
Fordi disse eksperimentene åpnet døren til et nytt studiefelt av materiens egenskaper, mottok Kettler, Cornell og Wieman Nobelprisen i 2001. Det er nettopp på grunn av den ekstremt lave temperaturen at gassatomer med visse egenskaper danner en ordnet tilstand. som alle klarer å tilegne seg den samme reduserte energien og farten, som ikke skjer i vanlig materie.
Hovedkarakteristikker
Som tidligere nevnt, har materie ikke bare tre grunnleggende tilstander av væske, fast stoff og gass, men tvert imot, det er en fjerde og en femte tilstand som er plasmatiske og ioniserte. Et Bose-Einstein-kondensat er en av disse tilstandene og har flere egenskaper:
- Det er en aggregert tilstand som består av en samling bosoner som er elementærpartikler.
- Det regnes som den femte aggregeringstilstanden som materialer kan anta.
- Den ble først observert i 1995, så den er ganske ny.
- Den har en kondenseringsprosess nær absolutt null.
- Det er superflytende, noe som betyr at det har stoffets evne til å eliminere friksjon.
- Den er superledende og har null elektrisk motstand.
- Det er også kjent som en kvanteisbit.
Opprinnelsen til Bose-Einstein-kondensatet
Når en gass er innelukket i en beholder, holdes partiklene som utgjør gassen normalt i tilstrekkelig avstand fra hverandre til at det er svært liten interaksjon, bortsett fra en og annen kollisjon med hverandre og med veggene i beholderen. Derfor er den velkjente ideelle gassmodellen utledet.
Imidlertid er partiklene i permanent termisk omrøring, og temperaturen er den avgjørende parameteren for hastigheten: jo høyere temperatur, jo raskere beveger de seg. Selv om hastigheten til hver partikkel kan variere, forblir gjennomsnittshastigheten til systemet konstant ved en gitt temperatur.
Det neste viktige faktum er at materie består av to typer partikler: fermioner og bosoner, kjennetegnet ved deres spinn (intrinsic vinkelmomentum), som er fullstendig kvante i naturen. For eksempel er elektroner fermioner med halvtallsspinn, mens bosoner har heltallspinn, noe som gjør deres statistiske oppførsel annerledes.
Fermioner liker å være annerledes og derfor følge Paulis eksklusjonsprinsipp, ifølge hvilken to fermioner i et atom ikke kan ha samme kvantetilstand. Dette er grunnen til at elektronene er i forskjellige atomorbitaler og derfor ikke opptar samme kvantetilstand.
Bosoner, på den annen side, adlyder ikke frastøtingsprinsippet og har derfor ingen innvendinger mot å okkupere den samme kvantetilstanden. Den vanskelige delen av eksperimentet er å holde systemet kjølig nok slik at de Broglie-bølgelengden forblir høy.
Colorado-forskerne oppnådde dette ved å bruke et laserkjølesystem som involverer å treffe atomprøver front mot front med seks laserstråler, forårsaker at de plutselig bremser ned og dermed reduserer termiske forstyrrelser betydelig.
De langsommere, kjøligere atomene er fanget i magnetfeltet, slik at de raskere atomene kan rømme for å avkjøle systemet ytterligere. Atomer innesperret på denne måten klarte å danne en liten klump av Bose-Einstein-kondensatet i kort tid, som varte lenge nok til å bli registrert på et bilde.
søknader
En av de mest lovende bruksområdene for Bose-Einstein-kondensatet er inne opprettelsen av presisjonsenheter for måling av tid og deteksjon av gravitasjonsbølger. Fordi atomene i et kondensat beveger seg som en enkelt enhet, er de mye mer nøyaktige enn konvensjonelle atomklokker og kan brukes til å måle tid med enestående presisjon.
Et annet aspekt der denne femte materietilstanden kan brukes er i kvanteberegning, som kan tillate opprettelsen av datamaskiner som er mye kraftigere og mer effektive enn de nåværende. Atomer i et kondensat kan brukes som qubits, de grunnleggende byggesteinene i en kvantedatamaskin, og deres kvanteegenskaper kan muliggjøre mye raskere og mer nøyaktige beregninger enn mulig med konvensjonelle datamaskiner. Det er derfor det snakkes mye om kvantedatamaskiner i disse dager.
I tillegg brukes Bose-Einstein-kondensatet også i materialfysikkforskning og til å lage nye materialer med ekstraordinære egenskaper. For eksempel har det vært vant til lage superledende materialer som kan revolusjonere elektronikkindustrien og tillate etableringen av mye mer effektive og kraftige enheter.
Jeg håper at du med denne informasjonen kan lære mer om Bose-Einstein-kondensatet, dets egenskaper og bruksområder.