Bose Einstein Condensate

Kami menerangkan apakah kondensat Bose-Einstein, asalnya, ciri-ciri, bagaimana ia diperolehi dan aplikasinya

Rajah 1.- Di Bose Bose Einstein, boson suhu rendah semuanya dikekalkan dalam keadaan tenaga terendah. Sumber: f. Zapata

Apa itu kondensat Bose Einstein?

Bose Einstein's Condensate (CBE) adalah keadaan pengagregatan bahan, serta keadaan biasa: gas, cecair dan pepejal, tetapi yang berlaku pada suhu yang sangat rendah, sangat dekat dengan sifar mutlak.

Ia terdiri daripada zarah yang dipanggil boson, yang pada suhu ini terletak dalam keadaan kuantum tenaga yang lebih rendah, yang dipanggil Keadaan asas. Albert Einstein meramalkan keadaan ini pada tahun 1924, setelah membaca karya -karya yang dihantar oleh ahli fizik Hindu Satyendra Bose mengenai statistik foton.

Tidak mudah diperoleh di makmal suhu yang diperlukan untuk pembentukan kondensat Bose-Einstein, jadi kita terpaksa menunggu sehingga tahun 1995 mempunyai teknologi yang diperlukan.

Pada tahun itu, ahli fizik Amerika Eric Cornell dan Carl Wieman (University of Colorado) dan kemudian ahli fizik Jerman Wolfgang Ketterle (MIT), berjaya memerhatikan kondensat pertama Bose-Einstein. Para saintis Colorado menggunakan Rubidio-87, sementara Ketterle mencapainya melalui gas natrium yang sangat dicairkan.

Terima kasih kepada eksperimen ini, yang membuka pintu kepada bidang penyelidikan baru dalam sifat subjek, Ketterle, Cornell dan Wieman menerima Hadiah Nobel pada tahun 2001.

Dan adalah bahawa suhu yang sangat rendah memungkinkan bahawa atom gas dengan ciri -ciri tertentu dijalankan seperti keadaan yang teratur, sehingga mereka dapat memperoleh semua tenaga dan kuantiti pergerakan yang sama, sesuatu yang tidak terjadi dalam hal biasa.

Ciri-ciri kondensat Bose-Einstein

Mari kita lihat ciri-ciri utama kondensat Bose-Einstein:

• Kondensat Bose-Einstein dihasilkan dalam gas yang terdiri daripada atom boson yang sangat dicairkan.
• Atom dalam kondensat kekal dalam keadaan kuantum yang sama: keadaan tenaga asas atau lebih rendah.
• Suhu yang sangat rendah diperlukan, hanya beberapa nano-kelvin di atas sifar mutlak. Semakin rendah suhu, tingkah laku gelombang zarah semakin jelas.
• Pada dasarnya, perkara dalam keadaan kondensat Bose Einstein tidak wujud dalam alam semula jadi, sejak sehingga kini suhu belum dikesan di bawah 3 k.
• Sesetengah CBE mempunyai superkonduktiviti dan super-fluida, iaitu kekurangan pembangkang terhadap laluan arus, serta kelikatan.
• Atom dalam kondensat, semuanya dalam keadaan kuantum yang sama, keseragaman sekarang dalam sifat mereka.

Ia boleh melayani anda: Gelombang Unidimensional: Ekspresi Matematik dan Contoh

Asal Bose-Einstein Condensate

Apabila anda mempunyai gas yang terkunci di dalam bekas, biasanya zarah -zarah yang mengarangnya menyimpan jarak yang cukup antara satu sama lain, berinteraksi sangat sedikit, kecuali untuk perlanggaran sekali -sekala di antara mereka dan dengan dinding bekas. Dari situ memperoleh model gas ideal yang terkenal.

Walau bagaimanapun, zarah berada dalam pergolakan haba kekal, dan suhu adalah parameter penentu yang mentakrifkan kelajuan: pada suhu yang lebih tinggi, bergerak lebih cepat.

Dan sementara kelajuan setiap zarah dapat berubah, kelajuan purata sistem tetap tetap pada suhu tertentu.

Fermion dan Bosons

Fakta penting berikut ialah perkara itu terdiri daripada dua jenis zarah: fermion dan boson, dibezakan oleh spin (momentum sudut intrinsik), kualiti kuantum sepenuhnya.

Elektron, sebagai contoh, adalah fermion dengan putaran separa, sementara boson mempunyai putaran keseluruhan, menjadikan tingkah laku statistik mereka berbeza.

Fermions suka berbeza dan oleh itu mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang mana tidak boleh ada dua fermion dalam atom dengan keadaan kuantum yang sama. Inilah sebabnya mengapa elektron terletak di orbital atom yang berbeza dan oleh itu tidak menduduki keadaan kuantum yang sama.

Sebaliknya, boson tidak mematuhi prinsip pengecualian, jadi mereka tidak mempunyai kesulitan untuk menduduki keadaan kuantum yang sama.

Sifat dua perkara

Fakta utama dalam pemahaman CBE adalah sifat ganda perkara: gelombang dan zarah pada masa yang sama.

Kedua -dua fermion dan boson dapat digambarkan sebagai gelombang dengan lanjutan tertentu di ruang angkasa. Panjang gelombang λ dari gelombang ini berkaitan dengannya momentum atau jumlah pergerakan p, Melalui persamaan De Broglie:

Boleh melayani anda: Elektrodinamik

Di mana h adalah pemalar Planck, yang nilainya adalah 6,62607015 × 10^{-3. 4} J.s.

Pada suhu tinggi, pergolakan terma mendominasi, yang bermaksud bahawa momentum p besar dan panjang gelombang λ adalah kecil. Atom itu menunjukkan sifat mereka sebagai zarah.

Tetapi apabila suhu turun, pergolakan haba berkurangan dan dengan itu momentum, yang berasal dari panjang gelombang meningkat dan ciri -ciri bergelora berlaku. Oleh itu, zarah -zarah itu berhenti terletak, kerana gelombang masing -masing meningkatkan saiz dan bertindih antara satu sama lain.

Terdapat suhu kritikal tertentu di mana boson akhirnya berada dalam keadaan asas, yang merupakan negeri dengan tenaga terendah (ia bukan 0). Ketika itu berlaku pemeluwapan.

Hasilnya ialah atom bosonik tidak lagi boleh dibezakan dan sistem menjadi sejenis atom super, yang diterangkan oleh fungsi gelombang tunggal. Bersamaan dengan melihatnya melalui lensa peningkatan yang kuat yang anda dapat melihat perinciannya.

Bagaimana anda mendapatkan kondensat?

Kesukaran eksperimen terletak pada menjaga sistem pada suhu yang cukup rendah, sehingga panjang gelombang De Broglie tetap tinggi.

Para saintis Colorado mencapainya melalui sistem penyejukan laser, yang terdiri daripada memukul sampel atom secara depan dengan enam rasuk cahaya laser untuk menghentikannya dengan tajam dan dengan itu secara drastik mengurangkan pergolakan terma mereka.

Kemudian atom yang lebih sejuk dan lebih perlahan terperangkap oleh medan magnet, membiarkan yang terpantas untuk menyejukkan sistem lagi.

Boleh melayani anda: Undang -undang Kirchhoff Rajah 2.- Pengagihan kelajuan atom RB di CBE. Puncak putih mewakili bilangan atom terbesar, dengan kelajuan yang dianggarkan 0.5 mm/s. Sumber: Wikimedia Commons.

Atom -atom yang terkurung dengan cara ini berjaya membentuk, untuk beberapa saat, setetes kecil CBE, yang berlangsung cukup masa untuk direkodkan dalam imej.

Aplikasi dan contoh

Aplikasi CBE kini dalam pembangunan penuh dan masih akan meluangkan masa sebelumnya.

Pengkomputeran kuantum

Mengekalkan koheren dalam komputer kuantum bukanlah tugas yang mudah, jadi CBE telah dicadangkan sebagai cara untuk mengekalkan pertukaran maklumat antara komputer kuantum individu.

Pengurangan kelajuan cahaya

Kelajuan cahaya dalam vakum adalah malar alam, walaupun nilainya dalam media lain, seperti dalam air, mungkin berbeza.

Terima kasih kepada CBE, mungkin untuk mengurangkan kelajuan cahaya, sehingga 17 m/s, mengikut beberapa eksperimen. Ini adalah sesuatu yang akan membolehkan bukan sahaja untuk memperdalam lebih banyak lagi dalam kajian sifat cahaya, tetapi penggunaannya dalam pengkomputeran kuantum untuk menyimpan maklumat.

Jam tangan atom yang sangat tepat

Atom sejuk membolehkan penciptaan jam tangan atom ketepatan yang besar, yang mengalami kelewatan minimum dalam tempoh yang panjang, dari urutan berjuta -juta tahun, kualiti yang sangat berguna apabila menyegerakkan sistem GPS.

Simulasi proses kosmologi

Daya atom yang dihasilkan dalam kondensat dapat membantu mensimulasikan keadaan di mana proses fizikal berlaku dalam beberapa objek yang ketara di alam semesta, seperti bintang neutron dan lubang hitam.

Rujukan

1. Bauer, w. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kimia. Edisi Kesebelas. Pendidikan McGraw Hill.
3. Landsil. Lima negeri perkara. Pulih dari: Landsil.com.
4. Laporan Qubit. Kelajuan pembentukan kondensat bose-einstein meningkat, kaedah pembentukan dipermudahkan. Diperolehi dari: QuBitReport.com.
5. Tipler, ms. 2008. Fizik moden. 5th. Edit. W. H. Freeman & Company.