Kondensat Bose-Einsteina: pochodzenie, właściwości i zastosowania

Kondensat Bosego-Einsteina jest stanem materii występującym w pewnych cząstkach w temperaturach bliskich zeru absolutnego. Przez długi czas uważano, że jedyne trzy możliwe stany agregacji materii to ciała stałe, ciekłe i gazowe.

Następnie odkryto czwarty stan: plazma; a kondensat Bosego-Einsteina uważany jest za piąty stan. Charakterystyczną właściwością jest to, że cząstki kondensatu zachowują się jak duży układ kwantowy, a nie jak zwykle (jako zbiór pojedynczych układów kwantowych lub jako grupa atomów).

Innymi słowy, można powiedzieć, że cały zestaw atomów tworzących kondensat Bosego-Einsteina zachowuje się tak, jakby był pojedynczym atomem.

Pochodzenie

Podobnie jak wiele najnowszych odkryć naukowych, istnienie kondensatu teoretycznie wydedukowano, zanim pojawiły się empiryczne dowody jego istnienia.

Tak więc to Albert Einstein i Satyendra Nath Bose teoretycznie przewidzieli to zjawisko we wspólnej publikacji z lat 20. XX w. Zrobili to najpierw w przypadku fotonów, a następnie w przypadku hipotetycznych atomów gazowych.

Demonstracja jego rzeczywistej egzystencji nie była możliwa dopiero kilkadziesiąt lat temu, kiedy możliwe było schłodzenie próbki do temperatur wystarczająco niskich, aby udowodnić, że przewidywane równania są prawdziwe.

Otrzymywanie

Kondensat Bosego-Einsteina został uzyskany w 1995 r. Przez Erica Cornella, Carlo Wiemana i Wolfganga Ketterle, którzy dzięki temu otrzymali w 2001 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Aby uzyskać kondensat Bosego-Einsteina, zastosowali szereg technik eksperymentalnych w fizyce atomowej, dzięki którym osiągnęli temperaturę 0, 00000002 stopni Kelvina powyżej zera absolutnego (temperatura znacznie niższa niż najniższa temperatura obserwowana w przestrzeni kosmicznej).,

Eric Cornell i Carlo Weiman zastosowali te techniki w rozcieńczonym gazie złożonym z atomów rubidu; Ze swojej strony Wolfgang Ketterle zastosował je wkrótce po atomach sodu.

Bozony

Nazwa bozon jest używana na cześć urodzonego w Indiach fizyka Satyendry Nath Bose. W fizyce cząstek rozważane są dwa podstawowe typy cząstek elementarnych: bozony i ferminy.

To, co decyduje o tym, czy cząstka jest bozonem lub fermionem, to czy jego spin jest liczbą całkowitą czy pół-całkowitą. Ostatecznie bozony są cząstkami odpowiedzialnymi za przenoszenie sił interakcji między fermionami.

Tylko cząstki bozoniczne mogą mieć ten stan kondensatu Bosego-Einsteina: jeśli cząstki, które są chłodzone, są fermionami, to, co osiąga się, nazywa się cieczą Fermiego.

Dzieje się tak, ponieważ bozony, w przeciwieństwie do fermionów, nie muszą przestrzegać zasady wykluczenia Pauliego, która stwierdza, że ​​dwie identyczne cząstki nie mogą być w tym samym stanie kwantowym w tym samym czasie.

Wszystkie atomy są tym samym atomem

W kondensacie Bosego-Einsteina wszystkie atomy są absolutnie równe. W ten sposób większość skondensowanych atomów znajduje się na tym samym poziomie kwantowym, schodząc do najniższego możliwego poziomu energii.

Dzieląc ten sam stan kwantowy i mając całą tę samą (minimalną) energię, atomy są nierozróżnialne i zachowują się jak pojedynczy „superatom”.

Właściwości

Fakt, że wszystkie atomy mają identyczne właściwości, zakłada szereg określonych właściwości teoretycznych: atomy zajmują tę samą objętość, światło rozpraszające o tym samym kolorze i jednorodne medium stanowi, pośród innych cech.

Właściwości te są podobne do właściwości idealnego lasera, który emituje spójne światło (przestrzennie i czasowo), jednolite, monochromatyczne, w którym wszystkie fale i fotony są absolutnie równe i poruszają się w tym samym kierunku, a zatem idealnie nie rozpraszać

Aplikacje

Możliwości oferowane przez ten nowy stan materii są wiele, niektóre naprawdę niesamowite. Wśród obecnych lub rozwijających się, najciekawsze zastosowania kondensatów Bosego-Einsteina są następujące:

- Wykorzystanie laserów atomowych do tworzenia precyzyjnych nanostruktur.

- Wykrywanie intensywności pola grawitacyjnego.

- Produkcja zegarów atomowych bardziej dokładnych i stabilnych niż te, które obecnie istnieją.

- Symulacje, na małą skalę, do badania pewnych zjawisk kosmologicznych.

- Zastosowania nadciekłości i nadprzewodnictwa.

- Aplikacje wywodzące się ze zjawiska znanego jako powolne światło lub wolne światło; na przykład w teleportacji lub w obiecującej dziedzinie komputerów kwantowych.

- Pogłębianie wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej, przeprowadzanie bardziej złożonych i nieliniowych eksperymentów, a także weryfikacja niektórych sformułowanych niedawno teorii. Kondensaty dają możliwość odtworzenia w laboratoriach zjawisk zachodzących w latach świetlnych.

Jak można zauważyć, kondensaty Bosego-Einsteina można wykorzystać nie tylko do opracowania nowych technik, ale także do udoskonalenia niektórych już istniejących technik.

Nie na próżno oferują wielką precyzję i niezawodność, co jest możliwe ze względu na ich spójność fazową w polu atomowym, co ułatwia dużą kontrolę czasu i odległości.

Dlatego kondensaty Bosego-Einsteina mogą stać się tak rewolucyjne, jak sam laser, ponieważ mają wiele wspólnych właściwości. Jednak wielki problem z tym związany jest z temperaturą, w której powstają te kondensaty.

Trudność polega więc zarówno na tym, jak skomplikowane jest ich uzyskanie, jak i na ich kosztownej konserwacji. Z tych wszystkich powodów większość wysiłków skupia się obecnie głównie na ich zastosowaniu do badań podstawowych.

Skondensowane Bose-Einstein i fizyka kwantowa

Demonstracja istnienia kondensatów Bosego-Einsteina stanowi nowe i ważne narzędzie do badania nowych zjawisk fizycznych w bardzo zróżnicowanych obszarach.

Nie ma wątpliwości, że jej spójność na poziomie makroskopowym ułatwia zarówno badanie, zrozumienie, jak i demonstrację praw fizyki kwantowej.

Jednak fakt, że temperatury zbliżone do zera bezwzględnego są niezbędne do osiągnięcia tego stanu materii, jest poważną niedogodnością, aby uzyskać jak najwięcej z jego niesamowitych właściwości.