Kondensat Bosego Einsteina (CBE) to stan skupienia materii, podobnie jak zwykłe stany: gazowy, ciekły i stały, ale zachodzący w ekstremalnie niskich temperaturach, bardzo bliskich zera absolutnego.
Składa się z cząstek zwanych bozonami, które w tych temperaturach znajdują się w stanie kwantowym o najniższej energii, tzw stan podstawowy. Albert Einstein przewidział tę okoliczność w 1924 roku, po przeczytaniu artykułów przesłanych mu przez hinduskiego fizyka Satyendrę Bosego na temat statystyki fotonów..
Uzyskanie w laboratorium temperatur niezbędnych do powstania kondensatu Bosego-Einsteina nie jest łatwe, dlatego trzeba było poczekać do 1995 roku, aby mieć niezbędną technologię..
W tym samym roku północnoamerykańscy fizycy Eric Cornell i Carl Wieman (University of Colorado), a później niemiecki fizyk Wolfgang Ketterle (MIT), zdołali zaobserwować pierwsze kondensaty Bosego-Einsteina. Naukowcy z Kolorado użyli rubidu-87, podczas gdy Ketterle przeprowadził go przez bardzo rozcieńczony gaz atomów sodu..
Dzięki tym eksperymentom, które otworzyły drzwi do nowych dziedzin badań w naturze materii, Ketterle, Cornell i Wieman otrzymali w 2001 roku Nagrodę Nobla..
Chodzi o to, że bardzo niskie temperatury umożliwiają atomom gazu o pewnych właściwościach utworzenie tak uporządkowanego stanu, że wszystkim udaje się uzyskać taką samą zmniejszoną energię i ilość ruchu, co nie zdarza się w zwykłej materii..
Spójrzmy na główne cechy kondensatu Bosego-Einsteina:
Kiedy masz gaz zamknięty w pojemniku, zwykle cząsteczki, które się z niego składają, zachowują wystarczającą odległość od siebie, oddziałując w bardzo niewielkim stopniu, z wyjątkiem sporadycznych zderzeń między nimi i ze ścianami pojemnika. Stąd wywodzi się znany model gazu doskonałego.
Jednak cząstki są w ciągłym mieszaniu termicznym, a decydującym parametrem określającym prędkość jest temperatura: im wyższa temperatura, tym szybciej się poruszają..
I chociaż prędkość każdej cząstki może się zmieniać, średnia prędkość systemu pozostaje stała w danej temperaturze..
Kolejnym ważnym faktem jest to, że materia składa się z dwóch rodzajów cząstek: fermionów i bozonów, różniących się spinem (wewnętrznym momentem pędu), cechą całkowicie kwantową..
Na przykład elektron jest fermionem o spinie półcałkowitym, podczas gdy bozony mają spin liczbowy, co powoduje, że ich zachowanie statystyczne jest inne..
Fermiony lubią być różne i dlatego przestrzegają zasady wykluczenia Pauliego, zgodnie z którą w atomie nie może być dwóch fermionów o tym samym stanie kwantowym. Z tego powodu elektrony znajdują się na różnych orbitaliach atomowych, a zatem nie zajmują tego samego stanu kwantowego.
Z drugiej strony bozony nie przestrzegają zasady wykluczenia, więc nie mają problemu z zajmowaniem tego samego stanu kwantowego.
Innym kluczowym faktem w zrozumieniu CBE jest podwójna natura materii: fala i cząstka w tym samym czasie..
Zarówno fermiony, jak i bozony można opisać jako falę o pewnym wydłużeniu w przestrzeni. Długość fali λ tej fali jest związane z jej pęd lub pęd p, poprzez równanie De Broglie:
Gdzie h jest stałą Plancka, której wartość wynosi 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
W podwyższonych temperaturach przeważa mieszanie termiczne, co oznacza, że pęd p jest duży i długość fali λ jest mały. W ten sposób atomy wykazują swoje właściwości jako cząstki.
Ale gdy temperatura spada, mieszanie termiczne maleje, a wraz z nim pęd, powodując wzrost długości fali i przeważającą charakterystykę fali. W ten sposób cząstki nie są już zlokalizowane, ponieważ odpowiednie fale zwiększają rozmiar i nakładają się na siebie..
Istnieje pewna temperatura krytyczna, w której bozony przechodzą do stanu podstawowego, czyli stanu o najniższej energii (nie wynosi ona 0). To wtedy następuje kondensacja.
W rezultacie atomy bozonowe nie są już rozróżnialne, a system staje się rodzajem superatomu opisanego funkcją pojedynczej fali. Jest to równoważne oglądaniu go przez potężną soczewkę powiększającą, dzięki której można docenić jego szczegóły.
Trudność eksperymentu polega na utrzymywaniu układu w dostatecznie niskich temperaturach, tak aby długość fali de Broglie'a pozostała wysoka..
Naukowcy z Kolorado osiągnęli to dzięki zastosowaniu systemu chłodzenia laserowego, który polega na uderzeniu w próbkę atomów czołem sześcioma wiązkami światła laserowego, aby gwałtownie je spowolnić, a tym samym drastycznie zmniejszyć ich mieszanie termiczne..
Następnie zimniejsze i wolniejsze atomy zostały uwięzione przez pole magnetyczne, pozwalając szybszym uciekać w celu dalszego ochłodzenia systemu..
Atomy uwięzione w ten sposób zdołały na krótką chwilę uformować maleńką kroplę CBE, która utrzymywała się wystarczająco długo, aby można było ją zarejestrować na obrazie..
Aplikacje CBE są obecnie w pełni rozwijane i zanim się zmaterializują, minie jeszcze trochę czasu..
Utrzymanie spójności w komputerach kwantowych nie jest łatwym zadaniem, dlatego też zaproponowano CBE jako sposób na utrzymanie wymiany informacji między poszczególnymi komputerami kwantowymi..
Prędkość światła w próżni jest stałą naturą, chociaż jej wartość w innych mediach, np. Wodzie, może być różna.
Dzięki CBE możliwe jest znaczne zmniejszenie prędkości światła, do 17 m / s, według niektórych eksperymentów. Jest to coś, co pozwoli nam nie tylko zagłębić się w badanie natury światła, ale także jego wykorzystania w komputerach kwantowych do przechowywania informacji..
Zimne atomy pozwalają na tworzenie bardzo precyzyjnych zegarów atomowych, które mają minimalne opóźnienia w długich okresach rzędu milionów lat, co jest bardzo przydatne podczas synchronizacji systemów GPS..
Siły atomowe generowane w kondensacie mogą pomóc w symulacji warunków, w których zachodzą procesy fizyczne w niektórych ważnych obiektach we Wszechświecie, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury..
Jeszcze bez komentarzy