Condensado de Bose-Einstein

características do condensado de bose einstein

A matéria pode ser encontrada em vários estados agregados, entre os quais encontramos sólidos, gases e líquidos; no entanto, existem outros tipos de estados menos conhecidos, um dos quais é conhecido como Condensado de Bose-Einstein, considerado por muitos químicos, cientistas e físicos como o quinto estado da matéria.

Neste artigo vamos contar o que é o condensado de Bose-Einstein, suas características, aplicações e muito mais.

O que é o condensado de Bose-Einstein

condensado de bose-einstein

Um Condensado de Bose-Einstein (BEC) é um estado agregado da matéria, como os estados usuais: gasoso, líquido e sólido, mas Ocorre em temperaturas extremamente baixas, muito próximas do zero absoluto.

Consiste em partículas chamadas bósons que, nessas temperaturas, residem no estado quântico de menor energia conhecido como estado fundamental. Albert Einstein previu isso em 1924, depois de ler um artigo sobre estatísticas de fótons enviado a ele pelo físico indiano Satyendra Bose.

Não é fácil obter as temperaturas necessárias para formar condensados ​​de Bose-Einstein em laboratório, razão pela qual até 1995 não era possível ter a tecnologia necessária. Naquele ano, os físicos americanos Eric Cornell e Carl Wieman e o físico alemão Wolfgang Ketterle conseguiram observar os primeiros condensados ​​de Bose-Einstein. Os cientistas do Colorado usaram rubídio-87, enquanto Keitel o obteve por meio de um gás altamente diluído de átomos de sódio.

Como esses experimentos abriram as portas para um novo campo de estudo das propriedades da matéria, Kettler, Cornell e Wieman receberam o Prêmio Nobel de 2001. É precisamente por causa da temperatura extremamente baixa que os átomos de gás com certas propriedades formam um estado ordenado, todos os quais conseguem adquirir a mesma energia e momento reduzidos, o que não acontece na matéria ordinária.

Características principais

quinto estado da matéria

Como mencionado anteriormente, a matéria não só tem três estados básicos de líquido, sólido e gasoso, mas, ao contrário, há um quarto e um quinto estado que são plasmáticos e ionizados. Um condensado de Bose-Einstein é um desses estados e tem várias características:

  • É um estado agregado composto por uma coleção de bósons que são partículas elementares.
  • É considerado o quinto estado de agregação que os materiais podem assumir.
  • Foi observado pela primeira vez em 1995, então é bem novo.
  • Tem um processo de condensação próximo do zero absoluto.
  • É superfluido, o que significa que tem a capacidade da substância de eliminar o atrito.
  • É supercondutor e tem resistência elétrica zero.
  • Também é conhecido como cubo de gelo quântico.

Origem do condensado de Bose-Einstein

super fóton

Quando um gás é encerrado em um recipiente, as partículas que compõem o gás são normalmente mantidas a uma distância suficiente umas das outras para que haja muito pouca interação, além da colisão ocasional entre si e com as paredes do recipiente. Assim, o conhecido modelo de gás ideal é derivado.

Porém, as partículas estão em permanente agitação térmica, sendo a temperatura o parâmetro decisivo para a velocidade: quanto maior a temperatura, mais rápido eles se movem. Embora a velocidade de cada partícula possa variar, a velocidade média do sistema permanece constante a uma dada temperatura.

O próximo fato importante é que a matéria consiste em dois tipos de partículas: férmions e bósons, diferenciados por seu spin (momento angular intrínseco), que são completamente quânticos por natureza. Por exemplo, os elétrons são férmions com spins meio inteiros, enquanto os bósons têm spins inteiros, o que torna seu comportamento estatístico diferente.

Os férmions gostam de ser diferentes e, portanto, obedeça o princípio de exclusão de Pauli, segundo a qual dois férmions em um átomo não podem ter o mesmo estado quântico. Esta é a razão pela qual os elétrons estão em diferentes orbitais atômicos e, portanto, não ocupam o mesmo estado quântico.

Os bósons, por outro lado, não obedecem ao princípio da repulsão e, portanto, não têm objeções em ocupar o mesmo estado quântico. A parte difícil do experimento é manter o sistema resfriado o suficiente para que o comprimento de onda de Broglie permaneça alto.

Os cientistas do Colorado conseguiram isso usando um sistema de resfriamento a laser que envolve atingir amostras atômicas de frente com seis feixes de laser, fazendo com que desacelerem repentinamente e, assim, reduzam bastante seus distúrbios térmicos.

Os átomos mais lentos e frios ficam presos no campo magnético, permitindo que os átomos mais rápidos escapem para resfriar ainda mais o sistema. Os átomos confinados dessa maneira conseguiram formar uma pequena bolha do condensado de Bose-Einstein por um curto período de tempo, que durou o suficiente para ser registrado em uma imagem.

Aplicações

Uma das aplicações mais promissoras do condensado de Bose-Einstein é em a criação de dispositivos de precisão para medição do tempo e detecção de ondas gravitacionais. Como os átomos em um condensado se movem como uma única entidade, eles são muito mais precisos do que os relógios atômicos convencionais e podem ser usados ​​para medir o tempo com uma precisão sem precedentes.

Outro aspecto onde este quinto estado da matéria pode ser aplicado é na computação quântica, o que poderia permitir a criação de computadores muito mais poderosos e eficientes que os atuais. Os átomos em um condensado podem ser usados ​​como qubits, os blocos básicos de construção de um computador quântico, e suas propriedades quânticas podem permitir cálculos muito mais rápidos e precisos do que os computadores convencionais. É por isso que se fala muito sobre computadores quânticos hoje em dia.

Além disso, o condensado de Bose-Einstein também é usado na pesquisa de física de materiais e na criação de novos materiais com propriedades extraordinárias. Por exemplo, tem sido usado para criar materiais supercondutores que podem revolucionar a indústria eletrônica e permitem a criação de dispositivos muito mais eficientes e poderosos.

Espero que com essas informações você possa aprender mais sobre o condensado de Bose-Einstein, suas características e aplicações.


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