BOSE-EINSTEIN KONDENSAT: EGENSKAPER OG BRUKSOMRÅDER - FYSISK - 2026

Den Bose-Einsteins kondensat er en stofftilstand som oppstår i enkelte partikler ved temperaturer nær det absolutte nullpunkt. I lang tid trodde man at de eneste tre mulige tilstandene for aggregering av materie var faste, flytende og gass.

Da ble den fjerde tilstanden oppdaget: plasmaet; og Bose-Einstein-kondensatet regnes som den femte staten. Den karakteristiske egenskapen er at partiklene i kondensatet oppfører seg som et stort kvantesystem i stedet for som de vanligvis gjør (som et sett med individuelle kvantesystemer eller som en gruppering av atomer).

Det kan med andre ord sies at hele settet med atomer som utgjør Bose-Einstein-kondensatet oppfører seg som om det var et enkelt atom.

Opprinnelse

I likhet med mange av de nyere vitenskapelige funnene, ble kondensatets eksistens teoretisk avledet før det fantes empiriske bevis for dets eksistens.

Dermed var det Albert Einstein og Satyendra Nath Bose som teoretisk forutså dette fenomenet i en felles publikasjon på 1920-tallet. De gjorde det først for fotoner og deretter hypotetiske gassformede atomer.

Demonstrasjonen av deres virkelige eksistens hadde ikke vært mulig før for noen tiår siden, da en prøve ble avkjølt til temperaturer lave nok til å bekrefte at det likningene forventet var sant.

Satyendra Nath Bose

Å skaffe

Bose-Einstein-kondensatet ble oppnådd i 1995 av Eric Cornell, Carlo Wieman og Wolfgang Ketterle som, takket være det, ville ende med å dele Nobelprisen i fysikk i 2001.

For å oppnå kondensatet benyttet Bose-Einstein seg til en serie eksperimentelle teknikker med atomfysikk, som de klarte å nå en temperatur på 0.00000002 grader Kelvin over absolutt null (en temperatur som er mye lavere enn den laveste temperaturen observert i det ytre rom) .

Eric Cornell og Carlo Weiman brukte disse teknikkene på en fortynnet gass bestående av rubidiumatomer; Wolfgang Ketterle påførte dem kort tid etter på natriumatomer.

bosoner

Navnet boson brukes til ære for den indiskfødte fysikeren Satyendra Nath Bose. To grunnleggende typer elementære partikler vurderes i partikkelfysikk: bosoner og ferminioner.

Det som avgjør om en partikkel er en boson eller en fermion er om spinnet er heltall eller halvt heltall. Til syvende og sist er bosoner partiklene som har ansvaret for å overføre interaksjonskreftene mellom fermioner.

Bare bosoniske partikler kan ha denne tilstanden Bose-Einstein kondensat: hvis partiklene som er avkjølt er fermioner, kalles det som oppnås en Fermi-væske.

Dette er fordi bosoner, i motsetning til fermioner, ikke trenger å oppfylle Pauli-eksklusjonsprinsippet, som sier at to identiske partikler ikke kan være i samme kvantetilstand på samme tid.

Alle atomer er det samme atomet

I et Bose-Einstein kondensat er alle atomene absolutt de samme. På denne måten er de fleste atomene i kondensatet på samme kvantnivå, og synker til lavest mulig energinivå.

Ved å dele denne samme kvantetilstanden og alle ha den samme (minimum) energien, er atomene ikke skillebare og oppfører seg som et enkelt "superatom".

Egenskaper

At alle atomer har identiske egenskaper antar en serie med visse teoretiske egenskaper: Atomene opptar det samme volumet, spredt lys med samme farge og et homogent medium utgjør, blant andre egenskaper.

Disse egenskapene ligner på den for den ideelle laseren, som avgir et sammenhengende lys (romlig og midlertidig), ensartet, monokromatisk, der alle bølger og fotoner er helt like og beveger seg i samme retning, og ideelt sett ikke forsvinne.

applikasjoner

Mulighetene som tilbys av denne nye sakstilstanden er mange, noen virkelig fantastiske. Blant dagens eller under utvikling er de mest interessante bruksområdene av Bose-Einstein kondensater følgende:

- Det brukes sammen med atomlasere for å lage nanokonstruksjoner med høy presisjon.

- Påvisning av intensiteten til gravitasjonsfeltet.

- Produser mer presise og stabile atomklokker enn de som for tiden eksisterer.

- Småskala simuleringer for studier av visse kosmologiske fenomener.

- Bruksområder for overflødighet og superledelse.

- Applikasjoner avledet fra fenomenet kjent som sakte lys eller sakte lys; for eksempel i teleportering eller i det lovende feltet kvanteberegning.

- Utdyping av kunnskapen om kvantemekanikk, gjennomføring av mer komplekse og ikke-lineære eksperimenter, samt verifisering av visse nylig formulerte teorier. Kondensater gir muligheten til å gjenskape fenomener som oppstår lysår unna i laboratorier.

Som det kan sees, kan Bose-Einstein kondensater ikke bare brukes til å utvikle nye teknikker, men også for å foredle noen teknikker som allerede eksisterer.

Ikke forgjeves tilbyr de stor presisjon og pålitelighet, noe som er mulig på grunn av deres fasesammenheng i atomfeltet, noe som letter stor kontroll over tid og avstander.

Derfor kunne Bose-Einstein kondensater være like revolusjonerende som selve laseren en gang, siden de har mange egenskaper til felles. Det store problemet for dette å skje ligger imidlertid i temperaturen som disse kondensatene produseres.

Dermed ligger vanskeligheten både i hvor komplisert det er å skaffe dem og i deres kostbare vedlikehold. Av alle disse grunnene er i dag mest innsats hovedsakelig fokusert på anvendelsen av den til grunnleggende forskning.

Bose-Einstein kondensater og kvantefysikk

Demonstrasjonen av eksistensen av Bose-Einstein-kondensater har tilbudt et viktig nytt verktøy for å studere nye fysiske fenomener i svært forskjellige områder.

Det er ingen tvil om at koherensen på makroskopisk nivå letter både studiet og forståelsen og demonstrasjonen av kvantefysikkens lover.

At temperaturer nær absolutt null er nødvendige for å oppnå denne tilstanden er imidlertid en alvorlig ulempe for å få mer ut av dets utrolige egenskaper.

referanser

1. Bose - Einstein kondensat (nd). På Wikipedia. Hentet 6. april 2018, fra es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondenserer. (nd) På Wikipedia. Hentet 6. april 2018, fra en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell og Carl Wieman (1998). Bose-Einstein kondenserer, "Forskning og vitenskap."
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "The Bose - Einstein kondensat". Vitenskapelig amerikansk.
5. Boson (nd). På Wikipedia. Hentet 6. april 2018, fra es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). På Wikipedia. Hentet 6. april 2018, fra en.wikipedia.org.