Матерію можна знайти в різних агрегатних станах, серед яких ми знаходимо тверді тіла, гази та рідини; однак існують інші типи менш відомих станів, один із яких відомий як Бозе-ейнштейнівський конденсат, розглядається багатьма хіміками, вченими і фізиками як п'ятий стан речовини.
У цій статті ми розповімо вам, що таке конденсат Бозе-Ейнштейна, його характеристики, застосування та багато іншого.
Що таке конденсат Бозе-Ейнштейна
Конденсат Бозе-Ейнштейна (БЕК) — це агрегатний стан речовини, як і звичайні стани: газоподібний, рідкий і твердий, але Це відбувається при надзвичайно низьких температурах, дуже близьких до абсолютного нуля.
Він складається з частинок, званих бозонами, які за цих температур перебувають у квантовому стані з найнижчою енергією, відомому як основний стан. Альберт Ейнштейн передбачив це в 1924 році, прочитавши статтю про фотонну статистику, яку йому надіслав індійський фізик Сатьєндра Бозе.
Непросто отримати температуру, необхідну для утворення конденсату Бозе-Ейнштейна в лабораторії, причина, чому до 1995 року не було можливості мати необхідні технології. Того року американським фізикам Еріку Корнеллу і Карлу Віману та німецькому фізику Вольфгангу Кеттерле вдалося спостерігати перші конденсати Бозе-Ейнштейна. Колорадські вчені використовували рубідій-87, а Кейтель отримав його через сильно розбавлений газ атомів натрію.
Оскільки ці експерименти відкрили двері в нову область дослідження властивостей матерії, Кеттлер, Корнелл і Віман отримали Нобелівську премію 2001 р. Саме через надзвичайно низьку температуру атоми газу з певними властивостями утворюють впорядкований стан, все це вдається отримати таку саму зменшену енергію та імпульс, чого не буває у звичайній матерії.
ключові особливості
Як згадувалося раніше, речовина не тільки має три основні стани: рідкий, твердий і газоподібний, але, навпаки, є четвертий і п'ятий стани, які є плазматичними та іонізованими. Конденсат Бозе-Ейнштейна є одним із цих станів і має кілька характеристик:
- Це агрегатний стан, що складається з набору бозонів, які є елементарними частинками.
- Вважається п'ятим агрегатним станом, який можуть приймати матеріали.
- Вперше його спостерігали в 1995 році, тому він досить новий.
- Він має процес конденсації, близький до абсолютного нуля.
- Він надтекучий, що означає, що він має здатність речовини усувати тертя.
- Він є надпровідним і має нульовий електричний опір.
- Він також відомий як квантовий кубик льоду.
Походження конденсату Бозе-Ейнштейна
Коли газ міститься в контейнері, частинки, з яких складається газ, зазвичай знаходяться на достатній відстані одна від одної, тому взаємодія дуже незначна, за винятком випадкових зіткнень один з одним і зі стінками контейнера. Звідси отримана добре відома модель ідеального газу.
Однак частинки знаходяться в стані постійного теплового хвилювання, і температура є вирішальним параметром для швидкості: чим вища температура, тим швидше вони рухаються. Хоча швидкість кожної частинки може змінюватися, середня швидкість системи залишається постійною при даній температурі.
Наступний важливий факт полягає в тому, що речовина складається з двох типів частинок: ферміонів і бозонів, які відрізняються своїм спіном (власним кутовим моментом), які є повністю квантовими за своєю природою. Наприклад, електрони є ферміонами з напівцілим спіном, тоді як бозони мають цілий спін, що робить їхню статистичну поведінку іншою.
Ферміони люблять бути різними і тому дотримуватися принципу виключення Паулі, згідно з яким два ферміони в атомі не можуть мати однаковий квантовий стан. Це причина, чому електрони знаходяться на різних атомних орбіталях і тому не займають однаковий квантовий стан.
Бозони, з іншого боку, не підкоряються принципу відштовхування і тому не заперечують проти того, щоб займати той самий квантовий стан. Складна частина експерименту полягає в тому, щоб система була достатньо холодною, щоб довжина хвилі де Бройля залишалася високою.
Вчені з Колорадо досягли цього, використовуючи лазерна система охолодження, яка включає удари атомних зразків лоб у лоб шістьма лазерними променями, змушуючи їх раптово сповільнюватись і, таким чином, значно зменшувати їхні теплові перешкоди.
Повільніші, холодніші атоми потрапляють у пастку магнітного поля, дозволяючи швидшим атомам вийти, щоб ще більше охолодити систему. Атоми, обмежені таким чином, спромоглися на короткий час утворити невелику краплю конденсату Бозе-Ейнштейна, яка проіснувала достатньо довго, щоб її можна було зафіксувати на зображенні.
додатків
Одне з найбільш перспективних застосувань конденсату Бозе-Ейнштейна в створення точних приладів для вимірювання часу та виявлення гравітаційних хвиль. Оскільки атоми в конденсаті рухаються як єдине ціле, вони набагато точніші, ніж звичайні атомні годинники, і їх можна використовувати для вимірювання часу з безпрецедентною точністю.
Інший аспект, де цей п’ятий стан матерії може бути застосований, – це квантові обчислення, які можуть дозволити створення набагато потужніших і ефективніших комп'ютерів, ніж сучасні. Атоми в конденсаті можна використовувати як кубіти, основні будівельні блоки квантового комп’ютера, і їхні квантові властивості можуть уможливити набагато швидші та точніші обчислення, ніж це можливо за допомогою звичайних комп’ютерів. Ось чому сьогодні багато говорять про квантові комп’ютери.
Крім того, конденсат Бозе-Ейнштейна також використовується в дослідженнях фізики матеріалів і при створенні нових матеріалів з надзвичайними властивостями. Наприклад, звикли створити надпровідні матеріали, які могли б зробити революцію в електронній промисловості і дозволяють створювати набагато більш ефективні та потужні пристрої.
Я сподіваюся, що з цією інформацією ви зможете дізнатися більше про конденсат Бозе-Ейнштейна, його характеристики та застосування.