Bose Einstein kondensat

Kami menjelaskan apa itu Bose-Einstein Condensate, Asalnya, Karakteristiknya, bagaimana ia diperoleh dan aplikasinya

Gambar 1.- Di kondensat Bose Einstein, boson suhu rendah semuanya dipertahankan dalam keadaan energi terendah. Sumber: f. Zapata

Apa kondensat Bose Einstein?

Bose Einstein's Condensate (CBE) adalah keadaan agregasi materi, serta keadaan biasa: gas, cair dan padat, tetapi yang terjadi pada suhu yang sangat rendah, sangat dekat dengan nol absolut.

Ini terdiri dari partikel yang disebut boson, yang pada suhu ini terletak dalam keadaan kuantum energi yang lebih rendah, yang disebut Negara mendasar. Albert Einstein meramalkan keadaan ini pada tahun 1924, setelah membaca karya -karya yang dikirim oleh fisikawan Hindu Satyendra Bose tentang statistik foton.

Tidak mudah diperoleh di laboratorium suhu yang diperlukan untuk pembentukan kondensat Bose-Einstein, jadi kami harus menunggu sampai tahun 1995 untuk memiliki teknologi yang diperlukan.

Tahun itu fisikawan Amerika Eric Cornell dan Carl Wieman (University of Colorado) dan kemudian fisikawan Jerman Wolfgang Ketterle (MIT), berhasil mengamati kondensat pertama Bose-Einstein. Ilmuwan Colorado menggunakan Rubidio-87, sementara Ketterle mencapainya melalui gas atom natrium yang sangat encer.

Berkat eksperimen ini, yang membuka pintu ke bidang penelitian baru di sifat subjek, Ketterle, Cornell dan Wieman menerima Hadiah Nobel pada tahun 2001.

Dan suhu yang sangat rendah memungkinkan atom gas dengan karakteristik tertentu dilakukan dengan keadaan tertib, sehingga mereka berhasil memperoleh semua energi dan kuantitas gerakan yang sama, sesuatu yang tidak terjadi dalam materi biasa dalam materi biasa dalam materi biasa biasa.

Karakteristik kondensat Bose-Einstein

Mari kita lihat karakteristik utama kondensat Bose-Einstein:

• Kondensat Bose-Einstein diproduksi dalam gas yang terdiri dari atom bosonik yang sangat encer.
• Atom -atom dalam kondensat tetap dalam keadaan kuantum yang sama: keadaan energi mendasar atau lebih rendah.
• Diperlukan suhu yang sangat rendah, hanya beberapa kelvin nano di atas nol absolut. Semakin rendah suhu, perilaku gelombang partikel semakin jelas.
• Pada prinsipnya, materi dalam keadaan kondensat Bose Einstein tidak ada di alam, karena suhu sampai saat ini belum terdeteksi di bawah 3 K.
• Beberapa CBE memiliki superkonduktivitas dan fluiditas super, yaitu, kurangnya oposisi terhadap perjalanan arus, serta viskositas.
• Atom -atom dalam kondensat, menjadi semua dalam keadaan kuantum yang sama, menghadirkan keseragaman dalam sifatnya.

Itu dapat melayani Anda: Gelombang Unidimensional: Ekspresi Matematika dan Contoh

Asal Kondensat Bose-Einstein

Saat Anda memiliki gas yang terkunci dalam wadah, biasanya partikel -partikel yang menyusunnya menjaga jarak yang cukup satu sama lain, berinteraksi sangat sedikit, kecuali untuk tabrakan sesekali di antara mereka dan dengan dinding wadah wadah. Dari sana memperoleh model gas ideal yang diketahui dengan baik.

Namun, partikel berada dalam agitasi termal permanen, dan suhu adalah parameter penentu yang menentukan kecepatan: pada suhu yang lebih tinggi, gerakan lebih cepat.

Dan sementara kecepatan masing -masing partikel dapat bervariasi, kecepatan rata -rata sistem tetap konstan pada suhu tertentu.

Fermions dan Boson

Fakta penting berikut adalah bahwa materi terdiri dari dua jenis partikel: fermion dan boson, dibedakan dengan putaran (momentum sudut intrinsik), kualitas kuantum yang sepenuhnya.

Elektron, misalnya, adalah fermion dengan putaran semi-berdiri, sementara boson memiliki putaran utuh, membuat perilaku statistik mereka berbeda.

Fermion suka menjadi berbeda dan karenanya mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menurutnya tidak mungkin ada dua fermion dalam atom dengan keadaan kuantum yang sama. Inilah sebabnya mengapa elektron terletak di orbital atom yang berbeda dan karenanya tidak menempati keadaan kuantum yang sama.

Di sisi lain, boson tidak mematuhi prinsip pengecualian, jadi mereka tidak memiliki ketidaknyamanan untuk menempati keadaan kuantum yang sama.

Sifat Ganda Materi

Fakta kunci lain dalam pemahaman CBE adalah sifat ganda dari materi: gelombang dan partikel pada saat yang sama.

Baik fermion dan boson dapat digambarkan sebagai gelombang dengan ekstensi tertentu di ruang angkasa. Panjang gelombang λ gelombang ini terkait dengannya momentum atau jumlah gerakan P, Melalui persamaan De Broglie:

Dapat melayani Anda: elektrodinamika

Di mana h adalah konstanta Planck, yang nilainya 6.62607015 × 10^{-3. 4} J.S.

Pada suhu tinggi agitasi termal mendominasi, yang berarti momentum P besar dan panjang gelombang λ kecil. Atom dengan demikian menunjukkan sifatnya sebagai partikel.

Tetapi ketika suhu turun, agitasi termal berkurang dan dengan itu momentum, yang berasal dari panjang gelombang meningkat dan karakteristik bergelombang berlaku. Dengan demikian, partikel berhenti ditemukan, karena gelombang masing -masing meningkatkan ukurannya dan tumpang tindih satu sama lain.

Ada suhu kritis tertentu di mana Boson akhirnya berada dalam keadaan mendasar, yang merupakan negara dengan energi terendah (itu bukan 0). Saat itulah kondensasi terjadi.

Hasilnya adalah atom bosonik tidak lagi dapat dibedakan dan sistem menjadi semacam atom super, dijelaskan oleh fungsi gelombang tunggal. Itu setara dengan melihatnya melalui lensa peningkatan yang kuat yang dapat Anda lihat detailnya.

Bagaimana Anda mendapatkan kondensat?

Kesulitan percobaan terletak pada menjaga sistem pada suhu yang cukup rendah, sehingga panjang gelombang De Broglie tetap tinggi.

Ilmuwan Colorado mencapainya melalui sistem pendingin laser, yang terdiri dari memukul sampel atom secara frontal dengan enam balok cahaya laser untuk menghentikannya dengan tajam dan dengan demikian secara drastis mengurangi agitasi termal mereka.

Kemudian atom yang lebih dingin dan lebih lambat terperangkap oleh medan magnet, membiarkan yang tercepat untuk lebih mendinginkan sistem.

Dapat melayani Anda: Hukum Kirchhoff Gambar 2.- Distribusi kecepatan atom RB di CBE. Puncak putih mewakili jumlah atom terbesar, dengan perkiraan kecepatan 0.5 mm/s. Sumber: Wikimedia Commons.

Atom -atom yang dikurung dengan cara ini berhasil membentuk, untuk beberapa saat, setetes kecil CBE, yang berlangsung cukup waktu untuk direkam dalam sebuah gambar.

Aplikasi dan contoh

Aplikasi CBE saat ini sedang dalam pengembangan penuh dan masih akan menghabiskan waktu sebelumnya.

Komputasi kuantum

Mempertahankan koherensi dalam komputer kuantum bukanlah tugas yang mudah, jadi CBE telah diusulkan sebagai sarana untuk mempertahankan pertukaran informasi antara komputer kuantum individu.

Pengurangan kecepatan cahaya

Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah konstanta alam, meskipun nilainya di media lain, seperti dalam air, mungkin berbeda.

Berkat CBE dimungkinkan untuk mengurangi kecepatan cahaya, hingga 17 m/s, menurut beberapa percobaan. Ini adalah sesuatu yang akan memungkinkan tidak hanya untuk memperdalam lebih banyak lagi dalam studi tentang sifat cahaya, tetapi penggunaannya dalam komputasi kuantum untuk menyimpan informasi.

Jam tangan atom dengan presisi besar

Atom dingin memungkinkan penciptaan jam tangan atom dengan presisi besar, yang mengalami penundaan minimum dalam waktu yang lama, dari urutan jutaan tahun, kualitas yang sangat berguna saat menyinkronkan sistem GPS.

Simulasi proses kosmologis

Kekuatan atom yang dihasilkan dalam kondensat dapat membantu mensimulasikan kondisi di mana proses fisik terjadi dalam beberapa objek terkenal di alam semesta, seperti bintang neutron dan lubang hitam.

Referensi

1. Bauer, w. 2011. Fisika untuk Teknik dan Ilmu Pengetahuan. Volume 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kimia. Edisi Kesebelas. Pendidikan Bukit McGraw.
3. Landsil. Lima negara bagian materi. Pulih dari: landsil.com.
4. Laporan Qubit. Kecepatan pembentukan kondensat bose-einstein meningkat, metode pembentukan disederhanakan. Diperoleh dari: quitreport.com.
5. Tipler, hlm. 2008. Fisika Modern. Ke -5. Edit. W. H. Freeman & Company.