CONDENSAT DE BOSE-EINSTEIN: PROPRIETĂȚI ȘI APLICAȚII - FIZIC - 2025

Condensat Bose-Einstein este o stare a materiei , care are loc în anumite particule la temperaturi apropiate de zero absolut. Multă vreme s-a crezut că singurele trei stări posibile de agregare a materiei sunt solidul, lichidul și gazele.

Apoi a fost descoperită a patra stare: cea a plasmei; iar condensatul Bose-Einstein este considerat al cincilea stat. Proprietatea caracteristică este aceea că particulele din condens se comportă ca un sistem cuantic mare, mai degrabă decât așa cum fac de obicei (ca un set de sisteme cuantice individuale sau ca o grupare de atomi).

Cu alte cuvinte, se poate spune că întregul set de atomi care alcătuiesc condensul Bose-Einstein se comportă ca și cum ar fi un singur atom.

Origine

Ca multe dintre cele mai recente descoperiri științifice, existența condensului a fost dedusă teoretic înainte de a exista dovezi empirice ale existenței sale.

Astfel, Albert Einstein și Satyendra Nath Bose au prezis acest fenomen teoretic într-o publicație comună din anii 1920. Au făcut acest lucru mai întâi pentru fotoni și apoi pentru atomi gazoși ipotetic.

Demonstrarea existenței sale reale nu a fost posibilă până în urmă cu câteva decenii, când a fost posibilă răcirea unui eșantion la temperaturi suficient de scăzute pentru a verifica dacă ceea ce ecuațiile anticipate erau adevărate.

Satyendra Nath Bose

Obținerea

Condensatul Bose-Einstein a fost obținut în 1995 de Eric Cornell, Carlo Wieman și Wolfgang Ketterle, care, datorită acestuia, ar sfârși prin împărțirea premiului Nobel pentru fizică din 2001.

Pentru a obține condensul Bose-Einstein, au recurs la o serie de tehnici experimentale de fizică atomică, cu ajutorul cărora au reușit să atingă o temperatură de 0,00000002 grade Kelvin peste zero absolut (o temperatură mult mai mică decât cea mai scăzută temperatură observată în spațiul exterior). .

Eric Cornell și Carlo Weiman au folosit aceste tehnici pe un gaz diluat format din atomi de rubidiu; la rândul său, Wolfgang Ketterle le-a aplicat la scurt timp după atomi de sodiu.

bosoni

Denumirea bosonului este folosită în onoarea fizicianului originar din India Satyendra Nath Bose. Două tipuri de particule elementare sunt considerate în fizica particulelor: bosoni și ferminii.

Ceea ce determină dacă o particulă este un boson sau un fermion este dacă spinul său este întreg sau jumătate întreg. În cele din urmă, bosonii sunt particulele responsabile de transmiterea forțelor de interacțiune între fermioni.

Doar particulele bosonice pot avea această stare de condens Bose-Einstein: dacă particulele care sunt răcite sunt fermioni, ceea ce se obține se numește lichid Fermi.

Acest lucru se întâmplă deoarece bosonii, spre deosebire de fermioni, nu trebuie să îndeplinească principiul de excludere Pauli, care afirmă că două particule identice nu pot fi în aceeași stare cuantică în același timp.

Toți atomii sunt același atom

Într-un condens Bose-Einstein, toți atomii sunt absolut aceiași. În acest fel, majoritatea atomilor din condensat sunt la același nivel cuantic, coborând la cel mai mic nivel de energie posibil.

Împărtășind această aceeași stare cuantică și toate având aceeași energie (minimă), atomii sunt indistinguibili și se comportă ca un singur „super atom”.

Proprietăți

Faptul că toți atomii au proprietăți identice presupune o serie de anumite proprietăți teoretice: atomii ocupă același volum, împrăștie lumina de aceeași culoare și se formează un mediu omogen, printre alte caracteristici.

Aceste proprietăți sunt similare cu cele ale laserului ideal, care emite o lumină coerentă (spațial și temporal), uniformă, monocromatică, în care toate undele și fotonii sunt absolut aceleași și se mișcă în aceeași direcție, în mod ideal nu risipi.

Aplicații

Posibilitățile oferite de această nouă stare de materie sunt multe, unele cu adevărat uimitoare. Printre cele actuale sau în curs de dezvoltare, cele mai interesante aplicații ale condensatelor Bose-Einstein sunt următoarele:

- Utilizarea sa împreună cu laserele cu atom pentru a crea nano-structuri de înaltă precizie.

- Detectarea intensității câmpului gravitațional.

- Fabricarea de ceasuri atomice mai precise și stabile decât cele care există în prezent.

- Simulări la scară mică pentru studiul anumitor fenomene cosmologice.

- Aplicații de superfluiditate și superconductivitate.

- Aplicații derivate din fenomenul cunoscut sub numele de lumină lentă sau lumină lentă; de exemplu, în teleportare sau în domeniul promițător al calculului cuantic.

- Aprofundarea cunoștințelor de mecanică cuantică, efectuarea de experimente mai complexe și neliniare, precum și verificarea anumitor teorii formulate recent. Condensatele oferă posibilitatea de a recrea fenomene care apar la ani lumină în laboratoare.

După cum se poate observa, condensele de Bose-Einstein pot fi utilizate nu numai pentru a dezvolta noi tehnici, ci și pentru a rafina unele tehnici care există deja.

Nu degeaba oferă o precizie și fiabilitate deosebite, ceea ce este posibil datorită coerenței lor de fază în câmpul atomic, care facilitează un control mare al timpului și distanțelor.

Prin urmare, condensele de Bose-Einstein ar putea fi la fel de revoluționare ca și laserul în sine, cândva, deoarece au multe proprietăți în comun. Cu toate acestea, marea problemă pentru ca acest lucru să se întâmple constă în temperatura la care sunt produse aceste condensate.

Astfel, dificultatea constă atât în ​​cât de complicată este obținerea lor, cât și în întreținerea lor costisitoare. Din toate aceste motive, în prezent majoritatea eforturilor sunt axate în principal pe aplicarea sa la cercetarea de bază.

Bose-Einstein condensează și fizica cuantică

Demonstrarea existenței condensatelor de Bose-Einstein a oferit un instrument important și nou pentru studierea fenomenelor fizice noi în zone foarte diverse.

Nu există nici o îndoială că coerența sa la nivel macroscopic facilitează atât studiul, cât și înțelegerea și demonstrarea legilor fizicii cuantice.

Cu toate acestea, faptul că temperaturile apropiate de zero absolut sunt necesare pentru a atinge această stare de materie este un dezavantaj serios pentru a ieși mai mult din proprietățile sale incredibile.

Referințe

1. Bose - condensat Einstein (nd). Pe Wikipedia. Preluat pe 6 aprilie 2018, de pe es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein se condensează. (nd) În Wikipedia. Preluat pe 6 aprilie 2018, de pe en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell și Carl Wieman (1998). Bose-Einstein condensează, „Cercetare și știință”.
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Condensatul Bose - Einstein". Științific american.
5. Boson (nd). Pe Wikipedia. Preluat pe 6 aprilie 2018, de pe es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). Pe Wikipedia. Preluat pe 6 aprilie 2018, de pe en.wikipedia.org.