Snov se pojavlja v različnih agregatnih stanjih, vključno s trdnimi snovmi, plini in tekočinami; vendar obstajajo tudi druga manj znana stanja, med katerimi je Bose-Einsteinov kondenzat , ki ga mnogi kemiki, znanstveniki in fiziki smatrajo za peto agregatno stanje snovi.
V tem članku vam bomo povedali, kaj je Bose-Einsteinov kondenzat, njegove značilnosti, aplikacije in še veliko več.
Kaj je Bose-Einsteinov kondenzat
Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) je agregirano stanje snovi, podobno običajnim stanjem: plinastemu, tekočemu in trdnemu, vendar se pojavlja pri izjemno nizkih temperaturah, zelo blizu absolutne ničle.
Sestavljen je iz delcev, imenovanih bozoni, ki se pri teh temperaturah nahajajo v kvantnem stanju z najnižjo energijo, znanem kot osnovno stanje. Albert Einstein je to napovedal leta 1924, potem ko je prebral članek o statistiki fotonov, ki mu ga je poslal indijski fizik Satyendra Bose.
V laboratoriju ni enostavno doseči temperatur, potrebnih za nastanek Bose-Einsteinovih kondenzatov, zato potrebna tehnologija ni bila na voljo do leta 1995. Tistega leta sta ameriška fizika Eric Cornell in Carl Wieman skupaj z nemškim fizikom Wolfgangom Ketterlejem uspela opazovati prve Bose-Einsteinove kondenzate. Znanstveniki iz Kolorada so uporabili rubidij-87, Ketterle pa je svoj kondenzat pridobil iz zelo razredčenega plina natrijevih atomov.
Ker so ti poskusi odprli vrata novemu področju preučevanja lastnosti snovi, so Kettler, Cornell in Wieman leta 2001 prejeli Nobelovo nagrado. Prav zaradi izjemno nizke temperature lahko atomi plina z določenimi lastnostmi tvorijo urejeno stanje, pri čemer vsi uspejo pridobiti enako zmanjšano energijo in gibalno količino , kar se v navadni snovi ne zgodi.
Glavne značilnosti
Kot smo že omenili, ima snov ne le tri osnovna stanja: tekoče, trdno in plinasto, temveč tudi četrto in peto stanje: plazmo in ionizirano. Bose-Einsteinov kondenzat je eno od teh stanj in ima več značilnosti:
- Je agregatno stanje, sestavljeno iz zbirke bozonov, ki so osnovni delci.
- Šteje se za peto agregatno stanje, ki ga lahko prevzamejo materiali.
- Prvič so ga opazili leta 1995, tako da je precej nov.
- Ima proces kondenzacije blizu absolutne ničle.
- Je super tekoč, kar pomeni, da ima sposobnost snovi, da odpravi trenje.
- Je superprevoden in ima ničelni električni upor.
- Znana je tudi kot kvantna ledena kocka.
Izvor Bose-Einsteinovega kondenzata
Ko je plin zaprt v posodi, so delci, ki sestavljajo plin, običajno dovolj oddaljeni drug od drugega, da je medsebojno delovanje zelo malo, razen občasnih trkov med seboj in s stenami posode. Tako je izpeljan dobro znani model idealnega plina.
Vendar pa so delci v nenehnem toplotnem gibanju, temperatura pa je odločilni parameter za hitrost: višja kot je temperatura, hitreje se gibljejo . Čeprav se hitrost posameznega delca lahko spreminja, povprečna hitrost sistema pri dani temperaturi ostaja konstantna.
Naslednje pomembno dejstvo je, da materijo sestavljata dve vrsti delcev: fermioni in bozoni, ki se razlikujejo po svojem spinu (intrinzičnem kotnem gibu), ki so popolnoma kvantne narave. Na primer, elektroni so fermioni s polcelimi spini, medtem ko imajo bozoni cele spine, zaradi česar je njihovo statistično obnašanje drugačno.
Fermioni so radi različni in zato upoštevajo Paulijevo izključitveno načelo , po katerem dva fermiona v atomu ne moreta imeti istega kvantnega stanja. Zato so elektroni v različnih atomskih orbitalah in zato ne zasedajo istega kvantnega stanja.
Po drugi strani pa bozoni ne upoštevajo principa odbijanja in zato ne nasprotujejo zasedbi istega kvantnega stanja. Težaven del poskusa je ohraniti sistem dovolj hladen, da de Brogliejeva valovna dolžina ostane visoka.
Znanstveniki iz Kolorada so to dosegli z uporabo laserskega hladilnega sistema, ki vključuje čelno udarjanje atomskih vzorcev s šestimi laserskimi žarki, zaradi česar se nenadoma upočasnijo in s tem močno zmanjšajo svoje toplotne motnje.
Počasnejši, hladnejši atomi so ujeti v magnetno polje, kar omogoči hitrejšim atomom, da pobegnejo in dodatno ohladijo sistem. Tako zaprti atomi so za kratek čas uspeli oblikovati majhno kepico Bose-Einsteinovega kondenzata, ki je trajala dovolj dolgo, da so jo posneli na sliki.
aplikacije
Ena najbolj obetavnih uporab Bose-Einsteinovih kondenzatov je ustvarjanje natančnih naprav za merjenje časa in zaznavanje gravitacijskih valov. Ker se atomi v kondenzatu gibljejo kot ena celota, so veliko natančnejši od običajnih atomskih ur in jih je mogoče uporabiti za merjenje časa z izjemno natančnostjo.
Drugo področje, kjer se lahko uporabi to peto agregatno stanje, je kvantno računalništvo, ki bi lahko omogočilo ustvarjanje računalnikov, ki so veliko zmogljivejši in učinkovitejši od tistih, ki so trenutno na voljo . Atomi v kondenzatu se lahko uporabijo kot kubiti, osnovni gradniki kvantnega računalnika, njihove kvantne lastnosti pa bi lahko omogočile veliko hitrejše in natančnejše izračune kot tisti, ki jih omogočajo običajni računalniki. Zato kvantni računalniki trenutno sprožajo toliko razprav.
Poleg tega se Bose-Einsteinov kondenzat uporablja tudi v raziskavah fizike materialov in pri ustvarjanju novih materialov z izjemnimi lastnostmi. Uporabljen je bil na primer za ustvarjanje superprevodnih materialov, ki bi lahko revolucionirali elektronsko industrijo in omogočili izdelavo veliko učinkovitejših in zmogljivejših naprav.
Upam, da boste s temi informacijami izvedeli več o Bose-Einsteinovem kondenzatu, njegovih značilnostih in uporabi.
