Ang bagay ay matatagpuan sa iba't ibang pinagsama-samang estado, kung saan matatagpuan natin ang mga solido, gas, at likido; gayunpaman, may iba pang mga uri ng hindi gaanong kilalang mga estado, na ang isa ay kilala bilang Bose-Einstein condensate, itinuturing ng maraming chemist, scientist at physicist bilang ikalimang estado ng matter.
Sa artikulong ito sasabihin namin sa iyo kung ano ang Bose-Einstein condensate, ang mga katangian nito, mga aplikasyon at marami pang iba.
Ano ang Bose-Einstein condensate
Ang Bose-Einstein Condensate (BEC) ay isang pinagsama-samang estado ng bagay, tulad ng karaniwang mga estado: gas, likido at solid, ngunit Ito ay nangyayari sa napakababang temperatura, napakalapit sa absolute zero.
Binubuo ito ng mga particle na tinatawag na boson na, sa mga temperaturang ito, naninirahan sa pinakamababang estado ng quantum ng enerhiya na kilala bilang ground state. Inihula ito ni Albert Einstein noong 1924 matapos basahin ang isang papel sa mga istatistika ng photon na ipinadala sa kanya ng Indian physicist na si Satyendra Bose.
Hindi madaling makuha ang mga temperatura na kailangan para mabuo ang Bose-Einstein condensates sa laboratoryo, dahilan kung bakit hanggang 1995 ay hindi posible na magkaroon ng kinakailangang teknolohiya. Sa taong iyon, ang mga Amerikanong pisiko na sina Eric Cornell at Carl Wieman at ang German physicist na si Wolfgang Ketterle ay nagawang obserbahan ang unang Bose-Einstein condensates. Gumamit ang mga siyentipiko ng Colorado ng rubidium-87, habang nakuha ito ni Keitel sa pamamagitan ng mataas na dilute na gas ng sodium atoms.
Dahil ang mga eksperimentong ito ay nagbukas ng pinto sa isang bagong larangan ng pag-aaral ng mga katangian ng bagay, natanggap nina Kettler, Cornell, at Wieman ang Nobel Prize noong 2001. Ito ay dahil mismo sa napakababang temperatura kung saan ang mga atom ng gas na may ilang mga katangian ay bumubuo ng isang nakaayos na estado, lahat ng ito pamahalaan upang makakuha ng parehong pinababang enerhiya at momentum, na hindi nangyayari sa ordinaryong bagay.
pangunahing katangian
Gaya ng naunang nabanggit, ang bagay ay hindi lamang mayroong tatlong pangunahing estado ng likido, solid, at gas, ngunit sa kabaligtaran, mayroong ikaapat at ikalimang estado na plasmatic at ionized. Ang Bose-Einstein condensate ay isa sa mga estadong ito at may ilang katangian:
- Ito ay isang pinagsama-samang estado na binubuo ng isang koleksyon ng mga boson na mga elementarya na particle.
- Ito ay itinuturing na ikalimang estado ng pagsasama-sama na maaaring ipalagay ng mga materyales.
- Una itong naobserbahan noong 1995, kaya medyo bago ito.
- Mayroon itong proseso ng condensation na malapit sa absolute zero.
- Ito ay sobrang likido, na nangangahulugang mayroon itong kakayahan ng sangkap na alisin ang alitan.
- Ito ay superconducting at may zero electrical resistance.
- Ito ay kilala rin bilang isang quantum ice cube.
Pinagmulan ng Bose-Einstein condensate
Kapag ang isang gas ay nakapaloob sa isang lalagyan, ang mga particle na bumubuo sa gas ay karaniwang pinananatili sa isang sapat na distansya mula sa isa't isa na mayroong napakakaunting interaksyon, bukod sa paminsan-minsang banggaan sa isa't isa at sa mga dingding ng lalagyan. Samakatuwid ang kilalang ideal na modelo ng gas ay nagmula.
Gayunpaman, ang mga particle ay nasa permanenteng thermal agitation, at ang temperatura ay ang mapagpasyang parameter para sa bilis: mas mataas ang temperatura, mas mabilis silang gumagalaw. Kahit na ang bilis ng bawat particle ay maaaring mag-iba, ang average na bilis ng system ay nananatiling pare-pareho sa isang naibigay na temperatura.
Ang susunod na mahalagang katotohanan ay ang bagay ay binubuo ng dalawang uri ng mga particle: fermion at boson, na nakikilala sa pamamagitan ng kanilang spin (intrinsic angular momentum), na ganap na quantum sa kalikasan. Halimbawa, ang mga electron ay mga fermion na may half-integer spins, habang ang mga boson ay may integer spins, na nagpapaiba sa kanilang istatistikal na pag-uugali.
Gusto ng mga fermion na maging iba at samakatuwid sundin ang prinsipyo ng pagbubukod ng Pauli, ayon sa kung saan ang dalawang fermion sa isang atom ay hindi maaaring magkaroon ng parehong quantum state. Ito ang dahilan kung bakit ang mga electron ay nasa iba't ibang atomic orbitals at samakatuwid ay hindi sumasakop sa parehong estado ng kabuuan.
Ang mga Boson, sa kabilang banda, ay hindi sumusunod sa prinsipyo ng pagtanggi at samakatuwid ay walang pagtutol na sakupin ang parehong quantum state. Ang mahirap na bahagi ng eksperimento ay ang pagpapanatiling sapat na cool ang system upang manatiling mataas ang wavelength ng de Broglie.
Nagawa ito ng mga siyentipiko ng Colorado sa pamamagitan ng paggamit isang laser cooling system na nagsasangkot ng paghagupit ng mga atomic sample nang direkta gamit ang anim na laser beam, na nagiging sanhi ng mga ito upang biglang bumagal at sa gayon ay lubos na nababawasan ang kanilang mga thermal disturbance.
Ang mas mabagal, mas malamig na mga atom ay nakulong sa magnetic field, na nagbibigay-daan sa mas mabilis na mga atomo na makatakas upang mas palamig ang system. Ang mga atom na nakakulong sa ganitong paraan ay nakabuo ng isang maliit na patak ng Bose-Einstein condensate sa maikling panahon, na tumagal ng sapat na katagalan upang maitala sa isang imahe.
aplikasyon
Isa sa mga pinaka-maaasahan na aplikasyon ng Bose-Einstein condensate ay nasa ang paglikha ng mga precision device para sa pagsukat ng oras at ang pagtuklas ng mga gravitational wave. Dahil ang mga atom sa isang condensate ay gumagalaw bilang isang entity, ang mga ito ay mas tumpak kaysa sa mga nakasanayang atomic na orasan at maaaring magamit upang sukatin ang oras nang may hindi pa naganap na katumpakan.
Ang isa pang aspeto kung saan maaaring ilapat ang ikalimang estado ng bagay na ito ay sa quantum computing, na maaaring magpapahintulot ang paglikha ng mga kompyuter na higit na makapangyarihan at mahusay kaysa sa mga kasalukuyan. Ang mga atomo sa isang condensate ay maaaring gamitin bilang mga qubit, ang pangunahing mga bloke ng gusali ng isang quantum computer, at ang kanilang mga katangian ng quantum ay maaaring paganahin ang mas mabilis at mas tumpak na mga kalkulasyon kaysa posible sa mga maginoo na computer. Ito ang dahilan kung bakit maraming usapan tungkol sa mga quantum computer sa mga araw na ito.
Bilang karagdagan, ang Bose-Einstein condensate ay ginagamit din sa mga materyal na pananaliksik sa pisika at sa paglikha ng mga bagong materyales na may pambihirang katangian. Halimbawa, ito ay nakasanayan na lumikha ng mga superconducting na materyales na maaaring baguhin ang industriya ng electronics at payagan ang paglikha ng mas mahusay at makapangyarihang mga aparato.
Umaasa ako na sa impormasyong ito maaari kang matuto nang higit pa tungkol sa Bose-Einstein condensate, mga katangian at aplikasyon nito.