Materia kan hittas i olika aggregattillstånd, bland vilka vi hittar fasta ämnen, gaser och vätskor, men det finns andra typer av mindre kända tillstånd, varav ett är känt som Bose-Einstein kondensat, av många kemister, vetenskapsmän och fysiker betraktas som materiens femte tillstånd.
I den här artikeln kommer vi att berätta vad Bose-Einstein-kondensatet är, dess egenskaper, tillämpningar och mycket mer.
Vad är Bose-Einstein-kondensatet
Ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) är ett aggregerat tillstånd av materia, liksom de vanliga tillstånden: gasformigt, flytande och fast, men Det inträffar vid extremt låga temperaturer, mycket nära den absoluta nollpunkten.
Den består av partiklar som kallas bosoner som vid dessa temperaturer befinner sig i det kvanttillstånd med lägsta energi som kallas grundtillståndet. Albert Einstein förutspådde detta 1924 efter att ha läst en artikel om fotonstatistik som den indiska fysikern Satyendra Bose skickade till honom.
Det är inte lätt att få de temperaturer som behövs för att bilda Bose-Einstein-kondensat i laboratoriet, anledningen till att det fram till 1995 inte var möjligt att ha den nödvändiga tekniken. Det året lyckades de amerikanska fysikerna Eric Cornell och Carl Wieman och den tyske fysikern Wolfgang Ketterle observera de första Bose-Einstein-kondensaterna. Colorado-forskarna använde rubidium-87, medan Keitel fick det genom en mycket utspädd gas av natriumatomer.
Eftersom dessa experiment öppnade dörren till ett nytt studieområde av materiens egenskaper fick Kettler, Cornell och Wieman Nobelpriset 2001. Det är just på grund av den extremt låga temperaturen som gasatomer med vissa egenskaper bildar ett ordnat tillstånd, som alla lyckas få samma minskade energi och fart, vilket inte sker i vanlig materia.
Huvudegenskaper
Som tidigare nämnts har materia inte bara tre grundläggande tillstånd av flytande, fast och gas, utan tvärtom, det finns ett fjärde och ett femte tillstånd som är plasmatiska och joniserade. Ett Bose-Einstein-kondensat är ett av dessa tillstånd och har flera egenskaper:
- Det är ett aggregerat tillstånd som består av en samling bosoner som är elementarpartiklar.
- Det anses vara det femte aggregationstillståndet som material kan anta.
- Det observerades första gången 1995, så det är ganska nytt.
- Den har en kondensationsprocess nära absolut noll.
- Det är superflytande, vilket betyder att det har ämnets förmåga att eliminera friktion.
- Den är supraledande och har noll elektriskt motstånd.
- Det är också känt som en kvantisbit.
Ursprunget till Bose-Einstein-kondensatet
När en gas är innesluten i en behållare hålls partiklarna som utgör gasen normalt på tillräckligt avstånd från varandra så att det blir väldigt lite interaktion, förutom enstaka kollisioner med varandra och med behållarens väggar. Därav härleds den välkända idealgasmodellen.
Men partiklarna är i permanent termisk omrörning, och temperaturen är den avgörande parametern för hastigheten: ju högre temperatur desto snabbare rör sig de. Även om hastigheten för varje partikel kan variera, förblir systemets medelhastighet konstant vid en given temperatur.
Nästa viktiga faktum är att materia består av två typer av partiklar: fermioner och bosoner, kännetecknade av deras spinn (inneboende rörelsemängd), som är helt kvantum till naturen. Till exempel är elektroner fermioner med halvheltalsspinn, medan bosoner har heltalsspinn, vilket gör deras statistiska beteende annorlunda.
Fermioner gillar att vara annorlunda och därför följa Paulis uteslutningsprincip, enligt vilken två fermioner i en atom inte kan ha samma kvanttillstånd. Detta är anledningen till att elektronerna befinner sig i olika atomära orbitaler och därför inte upptar samma kvanttillstånd.
Bosoner, å andra sidan, lyder inte repulsionsprincipen och har därför inget emot att ockupera samma kvanttillstånd. Den svåra delen av experimentet är att hålla systemet tillräckligt svalt så att de Broglie-våglängden förblir hög.
Colorado-forskarna åstadkom detta genom att använda ett laserkylningssystem som innebär att man slår atomprover rakt mot varandra med sex laserstrålar, får dem att plötsligt sakta ner och därmed kraftigt minska sina termiska störningar.
De långsammare, kallare atomerna fångas i magnetfältet, vilket gör att de snabbare atomerna kan fly för att ytterligare kyla systemet. Atomer instängda på detta sätt lyckades under en kort tid bilda en liten klump av Bose-Einstein-kondensatet, som varade tillräckligt länge för att kunna registreras i en bild.
tillämpningar
En av de mest lovande tillämpningarna av Bose-Einstein-kondensatet finns i skapandet av precisionsanordningar för mätning av tid och detektering av gravitationsvågor. Eftersom atomerna i ett kondensat rör sig som en enda enhet, är de mycket mer exakta än konventionella atomklockor och kan användas för att mäta tid med oöverträffad precision.
En annan aspekt där detta femte tillstånd av materia kan tillämpas är i kvantberäkning, vilket skulle kunna tillåta skapandet av datorer som är mycket kraftfullare och effektivare än de nuvarande. Atomer i ett kondensat kan användas som qubits, de grundläggande byggstenarna i en kvantdator, och deras kvantegenskaper kan möjliggöra mycket snabbare och mer exakta beräkningar än vad som är möjligt med konventionella datorer. Det är därför det pratas mycket om kvantdatorer nu för tiden.
Dessutom används Bose-Einstein-kondensatet även i materialfysikforskning och i skapandet av nya material med extraordinära egenskaper. Till exempel har den varit van vid skapa supraledande material som kan revolutionera elektronikindustrin och möjliggör skapandet av mycket mer effektiva och kraftfulla enheter.
Jag hoppas att du med denna information kan lära dig mer om Bose-Einstein-kondensatet, dess egenskaper och tillämpningar.