Materia poate fi găsită în diferite stări agregate, printre care găsim solide, gaze și lichide; cu toate acestea, există și alte tipuri de stări mai puțin cunoscute, dintre care una este cunoscută ca Condens Bose-Einstein, considerată de mulți chimiști, oameni de știință și fizicieni drept a cincea stare a materiei.
În acest articol vă vom spune ce este condensatul Bose-Einstein, caracteristicile sale, aplicațiile și multe altele.
Ce este condensatul Bose-Einstein
Un condensat Bose-Einstein (BEC) este o stare agregată a materiei, ca stările obișnuite: gazos, lichid și solid, dar Apare la temperaturi extrem de scăzute, foarte aproape de zero absolut.
Este format din particule numite bosoni care, la aceste temperaturi, se află în starea cuantică de cea mai joasă energie cunoscută sub numele de stare fundamentală. Albert Einstein a prezis acest lucru în 1924, după ce a citit o lucrare despre statistica fotonului trimisă lui de fizicianul indian Satyendra Bose.
Nu este ușor să obții în laborator temperaturile necesare formării condensului Bose-Einstein, motiv pentru care până în 1995 nu a fost posibil să avem tehnologia necesară. În acel an, fizicienii americani Eric Cornell și Carl Wieman și fizicianul german Wolfgang Ketterle au reușit să observe primele condensate Bose-Einstein. Oamenii de știință din Colorado au folosit rubidiu-87, în timp ce Keitel l-a obținut printr-un gaz foarte diluat de atomi de sodiu.
Deoarece aceste experimente au deschis ușa către un nou domeniu de studiu al proprietăților materiei, Kettler, Cornell și Wieman au primit Premiul Nobel în 2001. Tocmai din cauza temperaturii extrem de scăzute, atomii de gaz cu anumite proprietăți formează o stare ordonată, toate care reușesc să dobândească aceeași energie și elan reduse, ceea ce nu se întâmplă în materie obișnuită.
caracteristici cheie
După cum sa menționat anterior, materia nu numai că are trei stări de bază: lichid, solid și gaz, ci, dimpotrivă, există o a patra și o a cincea stare care sunt plasmatice și ionizate. Un condensat Bose-Einstein este una dintre aceste stări și are mai multe caracteristici:
- Este o stare agregată formată dintr-o colecție de bosoni care sunt particule elementare.
- Este considerată a cincea stare de agregare pe care o pot asuma materialele.
- A fost observat pentru prima dată în 1995, deci este destul de nou.
- Are un proces de condensare aproape de zero absolut.
- Este super fluid, ceea ce înseamnă că are capacitatea substanței de a elimina frecarea.
- Este supraconductor și are rezistență electrică zero.
- Este cunoscut și ca un cub de gheață cuantic.
Originea condensatului Bose-Einstein
Atunci când un gaz este închis într-un recipient, particulele care alcătuiesc gazul sunt în mod normal menținute la o distanță suficientă unele de altele încât să existe o interacțiune foarte mică, în afară de ciocnirea ocazională între ele și cu pereții recipientului. Prin urmare, este derivat bine-cunoscutul model de gaz ideal.
Cu toate acestea, particulele sunt în permanentă agitare termică, iar temperatura este parametrul decisiv pentru viteza: cu cât temperatura este mai mare, cu atât se mișcă mai repede. Deși viteza fiecărei particule poate varia, viteza medie a sistemului rămâne constantă la o anumită temperatură.
Următorul fapt important este că materia constă din două tipuri de particule: fermioni și bozoni, care se disting prin spin (momentul unghiular intrinsec), care sunt complet cuantice în natură. De exemplu, electronii sunt fermioni cu spini pe jumătate întregi, în timp ce bosonii au spini întregi, ceea ce face ca comportamentul lor statistic să fie diferit.
Fermiilor le place să fie diferiți și, prin urmare respectă principiul excluderii Pauli, conform căreia doi fermioni dintr-un atom nu pot avea aceeași stare cuantică. Acesta este motivul pentru care electronii se află în orbitali atomici diferiți și, prin urmare, nu ocupă aceeași stare cuantică.
Bosonii, pe de altă parte, nu se supun principiului repulsiei și, prin urmare, nu au nicio obiecție să ocupe aceeași stare cuantică. Partea dificilă a experimentului este menținerea sistemului suficient de rece, astfel încât lungimea de undă de Broglie să rămână ridicată.
Oamenii de știință din Colorado au realizat acest lucru folosind un sistem de răcire cu laser care implică lovirea frontală a probelor atomice cu șase fascicule laser, determinându-le să încetinească brusc și astfel să-și reducă mult perturbațiile termice.
Atomii mai lenți și mai rece sunt prinși în câmpul magnetic, permițând atomilor mai rapizi să scape pentru a răci și mai mult sistemul. Atomii limitați în acest fel au reușit să formeze o mică pată de condensat Bose-Einstein pentru o perioadă scurtă de timp, care a durat suficient de mult pentru a fi înregistrate într-o imagine.
aplicatii
Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale condensatului Bose-Einstein este în realizarea unor dispozitive de precizie pentru măsurarea timpului și detectarea undelor gravitaționale. Deoarece atomii dintr-un condensat se mișcă ca o singură entitate, ei sunt mult mai precisi decât ceasurile atomice convenționale și pot fi folosiți pentru a măsura timpul cu o precizie fără precedent.
Un alt aspect în care această a cincea stare a materiei poate fi aplicată este în calculul cuantic, ceea ce ar putea permite crearea de calculatoare mult mai puternice și mai eficiente decât cele actuale. Atomii dintr-un condensat pot fi folosiți ca qubiți, blocurile de bază ale unui computer cuantic, iar proprietățile lor cuantice ar putea permite calcule mult mai rapide și mai precise decât este posibil cu calculatoarele convenționale. Acesta este motivul pentru care se vorbește mult despre calculatoarele cuantice în zilele noastre.
În plus, condensatul Bose-Einstein este folosit și în cercetarea fizicii materialelor și în crearea de noi materiale cu proprietăți extraordinare. De exemplu, a fost obișnuit creați materiale supraconductoare care ar putea revoluționa industria electronică și permit crearea de dispozitive mult mai eficiente și mai puternice.
Sper că cu aceste informații puteți afla mai multe despre condensatul Bose-Einstein, caracteristicile și aplicațiile acestuia.