Snov lahko najdemo v različnih agregatnih stanjih, med katerimi najdemo trdne snovi, pline in tekočine, obstajajo pa tudi druge vrste manj znanih stanj, med katerimi je eno znano kot Bose-Einsteinov kondenzat, ki ga mnogi kemiki, znanstveniki in fiziki obravnavajo kot peto agregatno stanje.
V tem članku vam bomo povedali, kaj je Bose-Einsteinov kondenzat, njegove značilnosti, aplikacije in še veliko več.
Kaj je Bose-Einsteinov kondenzat
Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) je agregatno stanje snovi, tako kot običajna stanja: plinasto, tekoče in trdno, vendar Pojavlja se pri izjemno nizkih temperaturah, zelo blizu absolutne ničle.
Sestavljen je iz delcev, imenovanih bozoni, ki se pri teh temperaturah nahajajo v kvantnem stanju z najnižjo energijo, znanem kot osnovno stanje. Albert Einstein je to napovedal leta 1924, potem ko je prebral članek o statistiki fotonov, ki mu ga je poslal indijski fizik Satyendra Bose.
V laboratoriju ni lahko doseči temperatur, potrebnih za tvorbo Bose-Einsteinovih kondenzatov, razlog, zakaj do leta 1995 ni bilo mogoče imeti potrebne tehnologije. Tega leta je ameriškima fizikoma Ericu Cornellu in Carlu Wiemanu ter nemškemu fiziku Wolfgangu Ketterleju uspelo opaziti prve Bose-Einsteinove kondenzate. Znanstveniki iz Kolorada so uporabili rubidij-87, medtem ko ga je Keitel pridobil z zelo razredčenim plinom natrijevih atomov.
Ker so ti poskusi odprli vrata na novo področje proučevanja lastnosti snovi, so Kettler, Cornell in Wieman prejeli Nobelovo nagrado leta 2001. Ravno zaradi izjemno nizke temperature atomi plina z določenimi lastnostmi tvorijo urejeno stanje, vse to uspelo pridobiti enako zmanjšano energijo in zagon, kar se v navadni materiji ne dogaja.
Glavne značilnosti
Kot smo že omenili, snov nima le treh osnovnih agregatnih stanj, tekočega, trdnega in plinastega, ampak ravno nasprotno, obstajata četrto in peto stanje, ki sta plazmatično in ionizirano. Bose-Einsteinov kondenzat je eno od teh stanj in ima več značilnosti:
- Je agregatno stanje, sestavljeno iz zbirke bozonov, ki so osnovni delci.
- Šteje se za peto agregatno stanje, ki ga lahko prevzamejo materiali.
- Prvič so ga opazili leta 1995, tako da je precej nov.
- Ima proces kondenzacije blizu absolutne ničle.
- Je super tekoč, kar pomeni, da ima sposobnost snovi, da odpravi trenje.
- Je superprevoden in ima ničelni električni upor.
- Znana je tudi kot kvantna ledena kocka.
Izvor Bose-Einsteinovega kondenzata
Ko je plin zaprt v posodi, so delci, ki sestavljajo plin, običajno dovolj oddaljeni drug od drugega, da je medsebojno delovanje zelo malo, razen občasnih trkov med seboj in s stenami posode. Tako je izpeljan dobro znani model idealnega plina.
Vendar pa so delci v stalnem termičnem mešanju in temperatura je odločilni parameter za hitrost: višja kot je temperatura, hitreje se premikajo. Čeprav se lahko hitrost vsakega delca spreminja, povprečna hitrost sistema pri dani temperaturi ostane konstantna.
Naslednje pomembno dejstvo je, da materijo sestavljata dve vrsti delcev: fermioni in bozoni, ki se razlikujejo po svojem spinu (intrinzičnem kotnem gibu), ki so popolnoma kvantne narave. Na primer, elektroni so fermioni s polcelimi spini, medtem ko imajo bozoni cele spine, zaradi česar je njihovo statistično obnašanje drugačno.
Fermioni so radi drugačni in zato upoštevati Paulijevo načelo izključitve, po katerem dva fermiona v atomu ne moreta imeti enakega kvantnega stanja. To je razlog, zakaj so elektroni v različnih atomskih orbitalah in zato ne zasedajo istega kvantnega stanja.
Po drugi strani pa bozoni ne upoštevajo principa odbijanja in zato ne nasprotujejo zasedbi istega kvantnega stanja. Težaven del poskusa je ohraniti sistem dovolj hladen, da de Brogliejeva valovna dolžina ostane visoka.
Znanstveniki iz Kolorada so to dosegli z uporabo laserski hladilni sistem, ki vključuje čelno udarjanje atomskih vzorcev s šestimi laserskimi žarki, zaradi česar se nenadoma upočasnijo in tako močno zmanjšajo njihove toplotne motnje.
Počasnejši, hladnejši atomi so ujeti v magnetno polje, kar omogoči hitrejšim atomom, da pobegnejo in dodatno ohladijo sistem. Tako zaprti atomi so za kratek čas uspeli oblikovati majhno kepico Bose-Einsteinovega kondenzata, ki je trajala dovolj dolgo, da so jo posneli na sliki.
aplikacije
Ena najbolj obetavnih aplikacij Bose-Einsteinovega kondenzata je v ustvarjanje natančnih naprav za merjenje časa in zaznavanje gravitacijskih valov. Ker se atomi v kondenzatu premikajo kot ena sama entiteta, so veliko natančnejše od običajnih atomskih ur in jih je mogoče uporabiti za merjenje časa z izjemno natančnostjo.
Drugi vidik, kjer je mogoče uporabiti to peto agregatno stanje, je kvantno računalništvo, ki bi lahko omogočilo ustvarjanje računalnikov, ki so veliko zmogljivejši in učinkovitejši od sedanjih. Atome v kondenzatu je mogoče uporabiti kot kubite, osnovne gradnike kvantnega računalnika, njihove kvantne lastnosti pa bi lahko omogočile veliko hitrejše in natančnejše izračune, kot jih je mogoče z običajnimi računalniki. Zato se dandanes veliko govori o kvantnih računalnikih.
Poleg tega se Bose-Einsteinov kondenzat uporablja tudi pri raziskavah fizike materialov in pri ustvarjanju novih materialov z izrednimi lastnostmi. Na primer, bilo je navajeno ustvariti superprevodne materiale, ki bi lahko revolucionirali elektronsko industrijo in omogočajo ustvarjanje veliko bolj učinkovitih in zmogljivih naprav.
Upam, da boste s temi informacijami izvedeli več o Bose-Einsteinovem kondenzatu, njegovih značilnostih in uporabi.