Материю можно найти в различных агрегатных состояниях, среди которых мы находим твердые тела, газы и жидкости, однако есть и другие типы менее известных состояний, одно из которых известно как Конденсат Бозе-Эйнштейна, рассматриваемый многими химиками, учеными и физиками как пятое состояние вещества.
В этой статье мы расскажем вам, что такое конденсат Бозе-Эйнштейна, его характеристики, области применения и многое другое.
Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна
Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) представляет собой агрегатное состояние вещества, подобное обычным состояниям: газообразное, жидкое и твердое, но Это происходит при экстремально низких температурах, очень близких к абсолютному нулю.
Он состоит из частиц, называемых бозонами, которые при этих температурах находятся в квантовом состоянии с самой низкой энергией, известном как основное состояние. Альберт Эйнштейн предсказал это в 1924 году, прочитав статью о статистике фотонов, присланную ему индийским физиком Сатьендрой Бозе.
Нелегко получить в лаборатории температуру, необходимую для образования конденсата Бозе-Эйнштейна. причина, по которой до 1995 года не было возможности иметь необходимую технику. В том же году американским физикам Эрику Корнеллу и Карлу Виману и немецкому физику Вольфгангу Кеттерле удалось наблюдать первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Колорадские ученые использовали рубидий-87, а Кейтель получил его из сильно разбавленного газа атомов натрия.
Поскольку эти эксперименты открыли дверь в новую область изучения свойств материи, Кеттлер, Корнелл и Виман получили Нобелевскую премию 2001 г. Именно из-за чрезвычайно низкой температуры атомы газа с определенными свойствами образуют упорядоченное состояние, все из которых удается приобрести ту же уменьшенную энергию и импульс, чего не бывает в обычном веществе.
Características principales
Как упоминалось ранее, материя не только имеет три основных состояния: жидкое, твердое и газообразное, но, наоборот, есть четвертое и пятое состояние, плазматическое и ионизированное. Конденсат Бозе-Эйнштейна является одним из этих состояний и имеет несколько характеристик:
- Это агрегатное состояние, состоящее из набора бозонов, являющихся элементарными частицами.
- Считается пятым агрегатным состоянием, которое могут принимать материалы.
- Впервые его наблюдали в 1995 году, так что это довольно новое явление.
- Он имеет процесс конденсации, близкий к абсолютному нулю.
- Это сверхтекучее вещество, что означает, что оно обладает способностью устранять трение.
- Он сверхпроводник и имеет нулевое электрическое сопротивление.
- Он также известен как квантовый кубик льда.
Происхождение конденсата Бозе-Эйнштейна
Когда газ заключен в контейнер, частицы, из которых состоит газ, обычно находятся на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы взаимодействие между ними было очень незначительным, за исключением случайных столкновений друг с другом и со стенками контейнера. Отсюда выводится известная модель идеального газа.
Однако частицы находятся в постоянном тепловом перемешивании, и решающим параметром для скорости является температура: чем выше температура, тем быстрее они двигаются. Хотя скорость каждой частицы может варьироваться, средняя скорость системы остается постоянной при данной температуре.
Следующим важным фактом является то, что материя состоит из двух типов частиц: фермионов и бозонов, отличающихся своим спином (собственным угловым моментом), которые имеют полностью квантовую природу. Например, электроны — это фермионы с полуцелыми спинами, а бозоны — с целыми спинами, что отличает их статистическое поведение.
Фермионы любят быть разными и поэтому подчиняться принципу запрета Паули, согласно которому два фермиона в атоме не могут иметь одинаковое квантовое состояние. По этой причине электроны находятся на разных атомных орбиталях и, следовательно, не занимают одно и то же квантовое состояние.
Бозоны, с другой стороны, не подчиняются принципу отталкивания и поэтому не возражают против того, чтобы занимать одно и то же квантовое состояние. Трудная часть эксперимента — поддерживать достаточное охлаждение системы, чтобы длина волны де Бройля оставалась высокой.
Колорадские ученые добились этого, используя система лазерного охлаждения, которая включает лобовое попадание атомных образцов шестью лазерными лучами, заставляя их внезапно замедляться и, таким образом, значительно уменьшать их тепловые возмущения.
Более медленные и более холодные атомы захватываются магнитным полем, позволяя более быстрым атомам покинуть систему и еще больше охладить ее. Атомы, ограниченные таким образом, смогли на короткое время сформировать небольшой сгусток конденсата Бозе-Эйнштейна, который просуществовал достаточно долго, чтобы его можно было записать на изображении.
приложений
Одно из самых многообещающих применений конденсата Бозе-Эйнштейна — в создание прецизионных приборов для измерения времени и обнаружения гравитационных волн. Поскольку атомы в конденсате движутся как единое целое, они намного точнее обычных атомных часов и могут использоваться для измерения времени с беспрецедентной точностью.
Другой аспект, в котором можно применить это пятое состояние материи, — это квантовые вычисления, которые могут позволить создание компьютеров гораздо более мощных и производительных, чем нынешние. Атомы в конденсате можно использовать в качестве кубитов, основных строительных блоков квантового компьютера, а их квантовые свойства могут обеспечить гораздо более быстрые и точные вычисления, чем это возможно на обычных компьютерах. Вот почему в наши дни так много говорят о квантовых компьютерах.
Кроме того, конденсат Бозе-Эйнштейна также используется в исследованиях по физике материалов и при создании новых материалов с необычными свойствами. Например, он использовался для создать сверхпроводящие материалы, которые могут произвести революцию в электронной промышленности и позволяют создавать гораздо более эффективные и мощные устройства.
Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о конденсате Бозе-Эйнштейна, его характеристиках и применениях.