Bose – Einstein ngưng tụ

đặc điểm của ngưng tụ bose einstein

Vật chất có thể được tìm thấy ở nhiều trạng thái tổng hợp khác nhau, trong đó chúng ta tìm thấy chất rắn, chất khí và chất lỏng; tuy nhiên, có những loại trạng thái khác ít được biết đến hơn, một trong số đó được gọi là Bose-Einstein ngưng tụ, được nhiều nhà hóa học, khoa học và vật lý coi là trạng thái thứ năm của vật chất.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cho bạn biết ngưng tụ Bose-Einstein là gì, đặc điểm, ứng dụng của nó và hơn thế nữa.

Ngưng tụ Bose-Einstein là gì

ngưng tụ bose–einstein

Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) là một trạng thái tổng hợp của vật chất, giống như các trạng thái thông thường: khí, lỏng và rắn, nhưng Nó xảy ra ở nhiệt độ cực thấp, rất gần với độ không tuyệt đối.

Nó bao gồm các hạt gọi là boson, ở những nhiệt độ này, cư trú ở trạng thái lượng tử năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản. Albert Einstein đã dự đoán điều này vào năm 1924 sau khi đọc một bài báo về số liệu thống kê photon do nhà vật lý người Ấn Độ Satyendra Bose gửi cho ông.

Không dễ để có được nhiệt độ cần thiết để hình thành ngưng tụ Bose-Einstein trong phòng thí nghiệm, lý do tại sao mãi đến năm 1995 mới có được công nghệ cần thiết. Năm đó, các nhà vật lý người Mỹ Eric Cornell và Carl Wieman và nhà vật lý người Đức Wolfgang Ketterle đã quan sát được các chất ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên. Các nhà khoa học Colorado đã sử dụng rubidi-87, trong khi Keitel thu được nó nhờ một loại khí nguyên tử natri rất loãng.

Vì những thí nghiệm này đã mở ra cánh cửa cho một lĩnh vực nghiên cứu mới về tính chất của vật chất, Kettler, Cornell và Wieman đã nhận được giải thưởng Nobel năm 2001. Chính vì nhiệt độ cực thấp mà các nguyên tử khí với những tính chất nhất định hình thành trạng thái có trật tự, tất cả trong số đó quản lý để có được năng lượng giảm và động lượng tương tự, điều không xảy ra trong vật chất thông thường.

Các tính năng chính

trạng thái thứ năm của vật chất

Như trên đã nói, vật chất không chỉ có ba trạng thái cơ bản là lỏng, rắn, khí mà ngược lại, có một trạng thái thứ tư và thứ năm là trạng thái plasma và bị ion hóa. Ngưng tụ Bose-Einstein là một trong những trạng thái này và có một số đặc điểm:

  • Nó là một trạng thái tổng hợp được tạo thành từ một tập hợp các boson là các hạt cơ bản.
  • Nó được coi là trạng thái tổng hợp thứ năm mà vật liệu có thể đảm nhận.
  • Nó được quan sát lần đầu tiên vào năm 1995, vì vậy nó khá mới.
  • Nó có một quá trình ngưng tụ gần với độ không tuyệt đối.
  • Nó siêu lỏng, có nghĩa là nó có khả năng loại bỏ ma sát của chất này.
  • Nó siêu dẫn và không có điện trở.
  • Nó còn được gọi là khối băng lượng tử.

Nguồn gốc của ngưng tụ Bose-Einstein

siêu photon

Khi một chất khí được đặt trong một bình chứa, các hạt tạo nên khí thường được giữ ở một khoảng cách vừa đủ để có rất ít tương tác, ngoại trừ sự va chạm thỉnh thoảng với nhau và với thành bình chứa. Do đó, mô hình khí lý tưởng nổi tiếng được bắt nguồn.

Tuy nhiên, các hạt ở trạng thái kích động nhiệt vĩnh viễn và nhiệt độ là thông số quyết định cho tốc độ: nhiệt độ càng cao, chúng di chuyển càng nhanh. Mặc dù tốc độ của mỗi hạt có thể khác nhau nhưng tốc độ trung bình của hệ không đổi ở một nhiệt độ nhất định.

Thực tế quan trọng tiếp theo là vật chất bao gồm hai loại hạt: fermion và boson, được phân biệt bởi spin (xung lượng góc nội tại) của chúng, chúng hoàn toàn có bản chất lượng tử. Ví dụ, các electron là các fermion có spin nửa nguyên, trong khi boson có spin nguyên, điều này làm cho hành vi thống kê của chúng khác nhau.

Fermion thích khác biệt và do đó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, theo đó hai fermion trong một nguyên tử không thể có cùng trạng thái lượng tử. Đây là lý do tại sao các electron ở các quỹ đạo nguyên tử khác nhau và do đó không chiếm cùng một trạng thái lượng tử.

Mặt khác, các boson không tuân theo nguyên lý lực đẩy và do đó không phản đối việc chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Phần khó khăn của thí nghiệm là giữ cho hệ thống đủ mát để bước sóng de Broglie luôn ở mức cao.

Các nhà khoa học Colorado đã hoàn thành điều này bằng cách sử dụng một hệ thống làm mát bằng laze liên quan đến việc đánh trực diện vào các mẫu nguyên tử bằng sáu chùm tia laze, làm cho chúng đột ngột chậm lại và do đó làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn nhiệt của chúng.

Các nguyên tử chậm hơn, mát hơn bị mắc kẹt trong từ trường, cho phép các nguyên tử nhanh hơn thoát ra ngoài để tiếp tục làm mát hệ thống. Các nguyên tử bị giới hạn theo cách này xoay sở để tạo thành một đốm nhỏ của ngưng tụ Bose-Einstein trong một thời gian ngắn, tồn tại đủ lâu để được ghi lại trong một hình ảnh.

ứng dụng

Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của ngưng tụ Bose-Einstein là trong việc tạo ra các thiết bị chính xác để đo thời gian và phát hiện sóng hấp dẫn. Do các nguyên tử trong khối ngưng tụ chuyển động như một thực thể duy nhất nên chúng chính xác hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử thông thường và có thể được sử dụng để đo thời gian với độ chính xác chưa từng có.

Một khía cạnh khác mà trạng thái vật chất thứ năm này có thể được áp dụng là trong điện toán lượng tử, có thể cho phép việc tạo ra các máy tính mạnh mẽ và hiệu quả hơn nhiều so với những cái hiện tại. Các nguyên tử trong chất ngưng tụ có thể được sử dụng làm qubit, khối xây dựng cơ bản của máy tính lượng tử và các đặc tính lượng tử của chúng có thể cho phép tính toán nhanh hơn và chính xác hơn nhiều so với máy tính thông thường. Đây là lý do tại sao ngày nay có rất nhiều cuộc nói chuyện về máy tính lượng tử.

Ngoài ra, ngưng tụ Bose-Einstein còn được sử dụng trong nghiên cứu vật lý vật liệu và chế tạo vật liệu mới với những đặc tính phi thường. Ví dụ, nó đã được sử dụng để tạo ra vật liệu siêu dẫn có thể cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử và cho phép tạo ra các thiết bị mạnh mẽ và hiệu quả hơn nhiều.

Tôi hy vọng rằng với thông tin này, bạn có thể tìm hiểu thêm về ngưng tụ Bose-Einstein, đặc điểm và ứng dụng của nó.


Hãy là người đầu tiên nhận xét

Để lại bình luận của bạn

địa chỉ email của bạn sẽ không được công bố. Các trường bắt buộc được đánh dấu bằng *

*

*

  1. Chịu trách nhiệm về dữ liệu: Miguel Ángel Gatón
  2. Mục đích của dữ liệu: Kiểm soát SPAM, quản lý bình luận.
  3. Hợp pháp: Sự đồng ý của bạn
  4. Truyền thông dữ liệu: Dữ liệu sẽ không được thông báo cho các bên thứ ba trừ khi có nghĩa vụ pháp lý.
  5. Lưu trữ dữ liệu: Cơ sở dữ liệu do Occentus Networks (EU) lưu trữ
  6. Quyền: Bất cứ lúc nào bạn có thể giới hạn, khôi phục và xóa thông tin của mình.