โบส–ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท

สสารสามารถพบได้ในสถานะมวลรวมต่างๆ ซึ่งในนั้นเราพบของแข็ง ก๊าซ และของเหลว อย่างไรก็ตาม ยังมีสถานะประเภทอื่นที่ไม่ค่อยมีคนรู้จัก ซึ่งหนึ่งในนั้นเรียกว่า โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสทซึ่งนักเคมี นักวิทยาศาสตร์ และนักฟิสิกส์หลายคนถือว่าเป็นสถานะที่ห้าของสสาร

ในบทความนี้ เราจะบอกคุณว่า Bose-Einstein condensate คืออะไร ลักษณะเฉพาะ การใช้งาน และอื่นๆ อีกมากมาย

Bose-Einstein คอนเดนเสทคืออะไร

Bose-Einstein Condensate (BEC) เป็นสถานะรวมของสสาร เช่นเดียวกับสถานะปกติ: ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง แต่ มันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมาก ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์มาก

ประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าโบซอน ที่อุณหภูมิเหล่านี้อาศัยอยู่ในสถานะควอนตัมพลังงานต่ำสุดที่เรียกว่าสถานะพื้น Albert Einstein ทำนายสิ่งนี้ในปี 1924 หลังจากอ่านบทความเกี่ยวกับสถิติโฟตอนที่ส่งถึงเขาโดย Satyendra Bose นักฟิสิกส์ชาวอินเดีย

ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะได้อุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการสร้างคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ในห้องปฏิบัติการ เหตุผลว่าทำไมจนถึงปี 1995 จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะมีเทคโนโลยีที่จำเป็น. ในปีนั้น นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Eric Cornell และ Carl Wieman และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Wolfgang Ketterle สามารถสังเกตเห็นคอนเดนเสท Bose-Einstein เป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์ในโคโลราโดใช้ rubidium-87 ในขณะที่ Keitel ได้รับจากก๊าซโซเดียมอะตอมที่เจือจางมาก

เนื่องจากการทดลองเหล่านี้เปิดประตูสู่สาขาใหม่ในการศึกษาคุณสมบัติของสสาร Kettler, Cornell และ Wieman ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2001 เป็นเพราะอุณหภูมิที่ต่ำมากทำให้อะตอมของก๊าซที่มีคุณสมบัติบางอย่างก่อตัวเป็นสถานะที่สั่งได้ ซึ่งทั้งหมดนี้ จัดการเพื่อให้ได้มาซึ่งพลังงานและโมเมนตัมที่ลดลงเท่าเดิมที่ไม่ได้เกิดขึ้นเป็นธรรมดา

คุณสมบัติหลัก

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สสารไม่เพียงแต่มีสถานะพื้นฐานสามสถานะคือ ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ แต่ตรงกันข้าม มีสถานะที่สี่และห้าที่เป็นพลาสมาและแตกตัวเป็นไอออน คอนเดนเสทของ Bose-Einstein เป็นหนึ่งในสถานะเหล่านี้และมีลักษณะหลายประการ:

• มันเป็นสถานะรวมที่ประกอบด้วยชุดของโบซอนซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐาน
• ถือเป็นสถานะที่ห้าของการรวมตัวที่วัสดุสามารถรับได้
• มันถูกพบครั้งแรกในปี 1995 ดังนั้นจึงค่อนข้างใหม่
• มีกระบวนการควบแน่นใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์
• เป็นของไหลพิเศษ ซึ่งหมายความว่ามีความสามารถของสารในการขจัดแรงเสียดทาน
• เป็นตัวนำยิ่งยวดและไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์
• เป็นที่รู้จักกันว่าก้อนน้ำแข็งควอนตัม

แหล่งกำเนิดคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์

เมื่อบรรจุก๊าซไว้ในภาชนะบรรจุ อนุภาคที่ประกอบเป็นก๊าซจะถูกรักษาให้ห่างจากกันที่เพียงพอซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กันน้อยมาก นอกเหนือจากการชนกันเป็นครั้งคราวและกับผนังของภาชนะบรรจุ ดังนั้นจึงได้แบบจำลองก๊าซในอุดมคติที่เป็นที่รู้จักกันดี

อย่างไรก็ตาม อนุภาคจะเกิดการปั่นป่วนเนื่องจากความร้อนอย่างถาวร และอุณหภูมิเป็นตัวแปรชี้ขาดสำหรับความเร็ว: อุณหภูมิยิ่งสูง พวกมันยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น. แม้ว่าความเร็วของแต่ละอนุภาคจะแตกต่างกันไป แต่ความเร็วเฉลี่ยของระบบจะคงที่ที่อุณหภูมิที่กำหนด

ข้อเท็จจริงที่สำคัญประการต่อไปคือสสารประกอบด้วยอนุภาคสองประเภท ได้แก่ เฟอร์มิออนและโบซอน ซึ่งแยกแยะได้จากสปิน (โมเมนตัมเชิงมุมภายใน) ซึ่งเป็นควอนตัมโดยสมบูรณ์ในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนเป็นเฟอร์มิออนที่มีการหมุนวนเป็นจำนวนเต็มครึ่งหนึ่ง ในขณะที่โบซอนมีการหมุนเป็นจำนวนเต็ม ซึ่งทำให้พฤติกรรมทางสถิติของพวกมันแตกต่างกัน

Fermions ชอบที่จะแตกต่างดังนั้น ปฏิบัติตามหลักการกีดกันของ Pauliตามที่เฟอร์มิออนสองตัวในอะตอมไม่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ นี่คือเหตุผลว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงอยู่ในวงโคจรของอะตอมที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงไม่ได้อยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน

ในทางกลับกัน Bosons ไม่ปฏิบัติตามหลักการขับไล่ ดังนั้นจึงไม่มีข้อโต้แย้งที่จะครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกัน ส่วนที่ยากของการทดลองคือการทำให้ระบบเย็นพอเพื่อให้ความยาวคลื่น de Broglie อยู่ในระดับสูง

นักวิทยาศาสตร์ชาวโคโลราโดทำสิ่งนี้ได้สำเร็จโดยใช้ ระบบระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ที่เกี่ยวข้องกับการชนตัวอย่างอะตอมด้วยลำแสงเลเซอร์หกลำ ทำให้พวกเขาช้าลงอย่างกะทันหันและทำให้ความร้อนลดลงอย่างมาก

อะตอมที่เย็นกว่าและเย็นกว่าจะถูกขังอยู่ในสนามแม่เหล็ก ทำให้อะตอมที่เร็วกว่าหนีออกมาเพื่อทำให้ระบบเย็นลง อะตอมที่ถูกคุมขังในลักษณะนี้สามารถสร้างหยดเล็กๆ ของคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์ในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งกินเวลานานพอที่จะบันทึกเป็นภาพได้

การใช้งาน

การประยุกต์ใช้คอนเดนเสท Bose-Einstein ที่มีแนวโน้มมากที่สุดประการหนึ่งคือ การสร้างอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสำหรับการวัดเวลาและการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เนื่องจากอะตอมในคอนเดนเสทเคลื่อนที่เป็นหนึ่งเดียว จึงมีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาอะตอมทั่วไปมาก และสามารถใช้วัดเวลาได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

อีกแง่มุมหนึ่งที่สามารถนำไปใช้ในสถานะที่ห้าของสสารได้คือในควอนตัมคอมพิวเตอร์ ซึ่งอาจอนุญาต การสร้างคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน. อะตอมในคอนเดนเสทสามารถใช้เป็นคิวบิต ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม และคุณสมบัติควอนตัมของอะตอมสามารถช่วยให้การคำนวณทำได้รวดเร็วและแม่นยำมากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป ด้วยเหตุนี้จึงมีการพูดถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นจำนวนมากในทุกวันนี้

นอกจากนี้ คอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ยังใช้ในการวิจัยทางฟิสิกส์ของวัสดุและในการสร้างวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติพิเศษอีกด้วย ตัวอย่างเช่นมันถูกใช้เพื่อ สร้างวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่สามารถปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ได้ และอนุญาตให้สร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพและทรงพลังมากขึ้น

ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคอนเดนเสท Bose-Einstein ลักษณะเฉพาะและการใช้งาน