Bose Einstein kondenzat

Pojasnjujemo, kaj je Bose-Einstein kondenzat, njen izvor, značilnosti, kako je pridobljen in njene aplikacije

Slika 1.- V kondenzatu Bose Einsteina se v najnižjem energetskem stanju vzdržujejo nizka temperaturna bozona. Vir: f. Zapata

Kaj je kondenzat Bose Einstein?

Kondenzat Bose Einstein (CBE) je stanje združevanja snovi, pa tudi običajna stanja: plinasta, tekoča in trdna, vendar se odvija pri izjemno nizkih temperaturah, zelo blizu absolutne ničle.

Sestavljen je iz delcev, imenovanih bozoni, ki se pri teh temperaturah nahajajo v kvantnem stanju nižje energije, imenovane Temeljna država. Albert Einstein je to okoliščino napovedal leta 1924, potem ko je prebral dela, ki jih je hindujski fizik Satyendra Bose poslal o statistiki fotonov.

V laboratoriju ni enostavno pridobiti potrebnih temperatur za nastanek kondenzata Bose-Einstein, zato smo morali počakati do leta 1995, da imamo potrebno tehnologijo.

Tistega leta so ameriški fiziki Eric Cornell in Carl Wieman (Univerza v Koloradu) in nato nemški fizik Wolfgang Ketterle (MIT) uspeli opazovati prvi kondenzat Bose-Einsteina. Znanstveniki v Koloradu so uporabili Rubidio-87, medtem ko ga je Ketterle dosegel skozi izjemno razredčen plin natrijevih atomov.

Zahvaljujoč tem poskusom, ki so odprla vrata novim raziskovalnim področjem v naravi teme, so leta 2001 Ketterle, Cornell in Wieman prejeli Nobelovo nagrado.

In zelo nizke temperature omogočajo, da se atomi plina z določenimi značilnostmi izvajajo tako urejeno stanje, da jim uspe pridobiti enako zmanjšano energijo in količino gibanja, kar se ne zgodi v običajni snovi.

Značilnosti kondenzata Bose-Einstein

Oglejmo si glavne značilnosti kondenzata Bose-Einstein:

• Bose-Einstein kondenzat se proizvaja v plinih, sestavljenih iz zelo razredčenih bozonskih atomov.
• Atomi v kondenzatu ostanejo v istem kvantnem stanju: temeljno ali nižje energijsko stanje.
• Potrebne so izjemno nizke temperature, le nekaj nano-kelvin nad absolutno ničlo. Nižja je temperatura, valovno vedenje delcev je vse bolj očitno.
• Načeloma zadeva v stanju kondenzata Bose Einstein ne obstaja v naravi, saj do danes niso bile odkrite temperature pod 3 K.
• Nekateri CBE imajo superprevodnost in superfluidnost, torej pomanjkanje nasprotovanja prehodu sedanjega, pa tudi viskoznost.
• Atomi v kondenzatu, ki so vsi v istem kvantnem stanju, predstavljajo enotnost v svojih lastnostih.

Lahko vam služi: enodimenzionalni valovi: matematični izraz in primeri

Izvor kondenzata Bose-Einstein

Ko imate zaklenjen plin v posodi, običajno delci, ki ga sestavljajo. Od tam izhaja iz dobro znanega idealnega plina.

Vendar so delci v trajni toplotni vznemirjenosti, temperatura pa je odločilni parameter, ki določa hitrost: pri višji temperaturi hitrejši premik.

In medtem ko se lahko hitrost vsakega delca razlikuje, povprečna hitrost sistema ostane konstantna pri določeni temperaturi.

Fermioni in bozoni

Naslednje pomembno dejstvo je, da je snov sestavljena iz dveh vrst delcev: fermionov in bozonov, diferenciranih s spin (intrinzičnim kotnim momentom), povsem kvantno kakovostjo.

Elektron je na primer fermion s polprometnim vrtenjem, medtem ko imajo Bozoni celotno vrtenje, zaradi česar je njihovo statistično vedenje drugačno.

Fermioni so radi drugačni in zato upoštevajo Paulijevo načelo izključevanja, po katerem v atomu ne moreta biti dva fermiona z istim kvantnim stanjem. Zato se elektroni nahajajo v različnih atomskih orbitalih in zato ne zavzemajo istega kvantnega stanja.

Po drugi strani se Bozoni ne držijo načela izključenosti, zato nimajo neprijetnosti, da bi zasedli isto kvantno stanje.

Dvojna narava snovi

Drugo ključno dejstvo pri razumevanju CBE je dvojna narava zadeve: val in delček hkrati.

Fermioni in bozoni lahko opišemo kot val z določenim podaljškom v vesolju. Valovna dolžina λ tega vala je povezan z njegovim zagon ali količino gibanja str, Skozi enačbo De Broglie:

Vam lahko služi: elektrodinamika

Kjer je H konstanta Plancka, katere vrednost je 6.62607015 × 10^{-3. 4} J.s.

Pri visokih temperaturah prevladuje toplotna vznemirjenost, kar pomeni, da je zagon str je velika in valovna dolžina λ je majhen. Atomi tako kažejo svoje lastnosti kot delce.

Ko pa se temperatura spusti, se toplotna vznemirjenost zmanjša in z njo zagon, ki izvira, da se valovna dolžina povečuje in prevladujejo valovilne lastnosti. Tako delci prenehajo biti nameščeni, ker ustrezni valovi povečujejo svojo velikost in se med seboj prekrivajo.

Obstaja določena kritična temperatura, po kateri so Bozoni na koncu v temeljnem stanju, ki je država z najnižjo energijo (ni 0). Takrat pride do kondenzacije.

Rezultat tega je, da bozonski atomi niso več različni in sistem postane nekakšen super atom, ki ga opisuje z eno samo valovno funkcijo. Enako je videti z močnim povečanjem leče, s katerim lahko vidite njegove podrobnosti.

Kako dobite kondenzat?

Težavnost poskusa je v tem, da sistem ohranja pri dovolj nizkih temperaturah, tako da valovna dolžina De Broglie ostane visoka.

Znanstveniki v Koloradu so ga dosegli prek laserskega hladilnega sistema, ki je sestavljen iz udarca vzorca atoma frontalno s šestimi laserskimi svetlobnimi žarki, da bi jih ostro ustavili in tako drastično zmanjšali njihovo toplotno vznemirjenje.

Nato je hladnejše in počasnejše atome ujelo magnetno polje, kar je najhitreje omogočilo nadaljnji ohladitev sistema.

Vam lahko služi: Kirchhoffovi zakoni Slika 2.- Porazdelitev hitrosti RB atomov v CBE. Beli vrh predstavlja največje število atomov z ocenjeno hitrostjo 0.5 mm/s. Vir: Wikimedia Commons.

Atomi, omejene na ta način, so za nekaj trenutkov uspeli oblikovati majhno kapljico CBE, ki je trajala dovolj časa, da se je zabeležila na sliki.

Aplikacije in primeri

Aplikacije CBE so trenutno v celoti in bodo še nekaj časa preživele pred tem.

Kvantno računalništvo

Ohranjanje skladnosti v kvantnih računalnikih ni lahka naloga, zato je bila CBE predlagana kot sredstvo za vzdrževanje izmenjave informacij med posameznimi kvantnimi računalniki.

Zmanjšanje svetlobne hitrosti

Hitrost svetlobe v vakuumu je konstanta narave, čeprav je njegova vrednost v drugih medijih, kot v vodi, lahko drugačna.

Zahvaljujoč CBE je mogoče v veliki meri zmanjšati hitrost svetlobe, do 17 m/s, kažejo nekateri poskusi. To je nekaj, kar bo omogočilo, da se še bolj poglobimo pri preučevanju narave svetlobe, temveč tudi njeno uporabo pri kvantnem računalništvu za shranjevanje informacij.

Atomske ure velike natančnosti

Hladni atomi omogočajo ustvarjanje atomskih ur velike natančnosti, ki doživljajo minimalne zamude v dolgih obdobjih, vrstnega reda milijonov let, zelo uporabne lastnosti pri sinhronizaciji sistemov GPS.

Simulacija kozmoloških procesov

Atomske sile, ki nastanejo v kondenzatu.

Reference

1. Bauer, w. 2011. Fizika za inženiring in znanosti. Zvezek 1. MC Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Kemija. Enajsta izdaja. McGraw Hill Education.
3. Landsil. Pet držav snovi. Okrevano od: LandsIl.com.
4. Qubit poročilo. Hitrost tvorbe kondenzata Bose-Einstein se je povečala, metoda tvorbe poenostavljena. Pridobljeno iz: QubitReport.com.
5. Tipler, str. 2008. Sodobna fizika. 5. Uredi. W. H. Freeman & Company.