Aine voi esiintyä erilaisissa aggregoituneissa olomuodoissa, kuten kiinteinä, kaasuina ja nesteinä; on kuitenkin olemassa myös muita vähemmän tunnettuja olomuotoja, joista yksi on Bose-Einstein-kondensaatti , jota monet kemistit, tiedemiehet ja fyysikot pitävät aineen viidentenä olomuotona.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle, mikä Bose-Einstein-kondensaatti on, sen ominaisuudet, sovellukset ja paljon muuta.
Mikä on Bose-Einstein-kondensaatti
Bose-Einstein-kondensaatilla (BEC) tarkoitetaan aineen aggregoitunutta olomuotoa, kuten tavallisilla olomuodoilla: kaasumaisella, nestemäisellä ja kiinteällä, mutta se esiintyy erittäin matalissa lämpötiloissa, hyvin lähellä absoluuttista nollapistettä.
Se koostuu bosoneiksi kutsutuista hiukkasista, jotka näissä lämpötiloissa sijaitsevat alhaisimman energian kvanttitilassa, joka tunnetaan nimellä perustila. Albert Einstein ennusti tämän vuonna 1924 luettuaan paperin fotonitilastoista, jonka intialainen fyysikko Satyendra Bose lähetti hänelle.
Bose-Einstein-kondensaattien muodostumiseen tarvittavien lämpötilojen saavuttaminen laboratoriossa ei ole helppoa, joten tarvittava teknologia oli saatavilla vasta vuonna 1995. Tuona vuonna amerikkalaiset fyysikot Eric Cornell ja Carl Wieman onnistuivat yhdessä saksalaisen fyysikon Wolfgang Ketterlen kanssa havaitsemaan ensimmäiset Bose-Einstein-kondensaatit. Coloradon tiedemiehet käyttivät rubidium-87:ää, kun taas Ketterle sai kondensaattinsa erittäin laimeasta natriumatomien kaasusta.
Koska nämä kokeet avasivat oven uudelle aineen ominaisuuksien tutkimusalueelle, Kettler, Cornell ja Wieman saivat vuoden 2001 Nobel-palkinnon. Juuri erittäin alhaisen lämpötilan ansiosta tiettyjen ominaisuuksien omaavat kaasuatomit voivat muodostaa järjestäytyneen tilan, joka kaikki onnistuu saavuttamaan saman pienentyneen energian ja liikemäärän , mitä ei tapahdu tavallisessa aineessa.
Tärkeimmät ominaisuudet
Kuten aiemmin mainittiin, aineella ei ole vain kolme perusolomuotoa: neste, kiinteä aine ja kaasu, vaan myös neljäs ja viides olomuoto: plasma ja ionisoitunut. Bose-Einstein-kondensaatilla on yksi näistä tiloista ja useita ominaisuuksia:
- Se on aggregaattitila, joka koostuu joukosta bosoneja, jotka ovat alkuainehiukkasia.
- Sitä pidetään viidentenä aggregaatiotilana, jonka materiaalit voivat olettaa.
- Se havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1995, joten se on melko uusi.
- Sen kondensaatioprosessi on lähellä absoluuttista nollaa.
- Se on supernestettä, mikä tarkoittaa, että sillä on aineen kyky poistaa kitkaa.
- Se on suprajohtava ja sen sähkövastus on nolla.
- Se tunnetaan myös kvanttijääkuutiona.
Bose-Einstein-kondensaatin alkuperä
Kun kaasu suljetaan säiliöön, kaasun muodostavat hiukkaset pysyvät normaalisti riittävän kaukana toisistaan, jotta vuorovaikutusta on hyvin vähän, lukuun ottamatta satunnaista törmäystä toisiinsa ja säiliön seiniin. Tästä johdetaan hyvin tunnettu ideaalikaasumalli.
Hiukkaset ovat kuitenkin jatkuvassa lämpöliikkeessä, ja lämpötila on ratkaiseva nopeuden parametri: mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin ne liikkuvat . Vaikka yksittäisten hiukkasten nopeus voi vaihdella, järjestelmän keskinopeus pysyy vakiona tietyssä lämpötilassa.
Seuraava tärkeä tosiasia on, että aine koostuu kahden tyyppisistä hiukkasista: fermioneista ja bosoneista, jotka erottuvat spinistä (sisäinen kulmamomentti), jotka ovat luonteeltaan täysin kvanttihiukkasia. Esimerkiksi elektronit ovat fermioneja, joiden spinit ovat puolikokonaislukuja, kun taas bosoneissa on kokonaislukuspinit, mikä tekee niiden tilastollisesta käyttäytymisestä erilaisen.
Fermionit haluavat olla erilaisia ​​ja siksi ne noudattavat Paulin kieltosääntöä , jonka mukaan kahdella fermionilla atomissa ei voi olla samaa kvanttitilaa. Tästä syystä elektronit ovat eri atomiorbitaaleilla eivätkä siksi ole samassa kvanttitilassa.
Bosonit sen sijaan eivät noudata hylkimisperiaatetta, joten heillä ei ole mitään vastustusta samaan kvanttitilaan. Kokeen vaikea osa on pitää järjestelmä riittävän viileänä, jotta de Broglien aallonpituus pysyy korkeana.
Coloradon tiedemiehet saavuttivat tämän käyttämällä laserjäähdytysjärjestelmää, jossa atominäytteisiin isketään kuusi lasersädettä suoraan, mikä aiheuttaa niiden äkillisen hidastumisen ja siten vähentää huomattavasti niiden lämpöhäiriöitä.
Hitaammat, viileämmät atomit jäävät loukkuun magneettikenttään, jolloin nopeammat atomit pääsevät pakoon jäähdyttämään järjestelmää entisestään. Tällä tavalla rajatut atomit onnistuivat muodostamaan lyhyen ajan Bose-Einstein-kondensaatiosta pienen täplän, joka kesti tarpeeksi kauan, jotta se tallentui kuvaan.
sovellukset
Yksi Bose-Einstein-kondensaattien lupaavimmista sovelluksista on tarkkuuslaitteiden luominen ajanottoa ja gravitaatioaaltojen havaitsemista varten. Koska kondensaatin atomit liikkuvat yhtenä kokonaisuutena, ne ovat paljon tarkempia kuin perinteiset atomikellot ja niitä voidaan käyttää ajan mittaamiseen ennennäkemättömällä tarkkuudella.
Toinen alue, jolla tätä aineen viidettä olomuotoa voidaan soveltaa, on kvanttilaskenta, joka voisi mahdollistaa paljon tehokkaampien ja tehokkaampien tietokoneiden luomisen kuin nykyisin saatavilla olevat . Kondensaatin atomeja voidaan käyttää kubiteina, kvanttitietokoneen perusrakennuspalikoina, ja niiden kvanttiominaisuudet voisivat mahdollistaa paljon nopeammat ja tarkemmat laskelmat kuin perinteisillä tietokoneilla. Tästä syystä kvanttitietokoneet herättävät tällä hetkellä niin paljon keskustelua.
Lisäksi Bose-Einstein-kondensaatin avulla voidaan luoda suprajohtavia materiaaleja, jotka voisivat mullistaa elektroniikkateollisuuden ja mahdollistaa paljon tehokkaampien ja tehokkaampien laitteiden kehittämisen.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää Bose-Einstein-kondensaatista, sen ominaisuuksista ja sovelluksista.
