Bose Einstein-condensaat (CBE) is een toestand van aggregatie van materie, net als de gebruikelijke toestanden: gasvormig, vloeibaar en vast, maar dat plaatsvindt bij extreem lage temperaturen, zeer dicht bij het absolute nulpunt.
Het bestaat uit deeltjes die bosonen worden genoemd en die zich bij deze temperaturen in de laagste energiekwantumtoestand bevinden, genaamd fundamentele toestand. Albert Einstein voorspelde deze omstandigheid in 1924, na het lezen van de documenten die de hindoe-natuurkundige Satyendra Bose hem hadden gestuurd over de statistieken van fotonen..
Het is niet eenvoudig om in het laboratorium de nodige temperaturen te verkrijgen voor de vorming van het Bose-Einstein-condensaat, dus het was nodig om tot 1995 te wachten om over de nodige technologie te beschikken.
Dat jaar wisten de Noord-Amerikaanse natuurkundigen Eric Cornell en Carl Wieman (Universiteit van Colorado) en later de Duitse natuurkundige Wolfgang Ketterle (MIT) de eerste Bose-Einstein-condensaten waar te nemen. De Colorado-wetenschappers gebruikten rubidium-87, terwijl Ketterle het door een sterk verdund gas van natriumatomen heen haalde..
Dankzij deze experimenten, die de deur openden naar nieuwe onderzoeksgebieden in de aard van materie, ontvingen Ketterle, Cornell en Wieman in 2001 de Nobelprijs..
En het is dat de zeer lage temperaturen het mogelijk maken dat de atomen van een gas met bepaalde eigenschappen zo'n ordelijke toestand vormen dat ze allemaal dezelfde verminderde energie en hoeveelheid beweging krijgen, iets wat niet gebeurt in gewone materie..
Laten we eens kijken naar de belangrijkste kenmerken van Bose-Einstein-condensaat:
Wanneer u een gas in een container hebt ingesloten, houden de deeltjes waaruit het bestaat normaal gesproken voldoende afstand van elkaar en hebben ze weinig interactie, behalve incidentele botsingen tussen hen en met de wanden van de container. Daaruit komt het bekende ideale gasmodel voort.
De deeltjes zijn echter in permanente thermische beweging en temperatuur is de doorslaggevende parameter die de snelheid bepaalt: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller ze bewegen..
En hoewel de snelheid van elk deeltje kan variëren, blijft de gemiddelde snelheid van het systeem constant bij een bepaalde temperatuur..
Het volgende belangrijke feit is dat materie is samengesteld uit twee soorten deeltjes: fermionen en bosonen, gedifferentieerd door spin (intrinsiek impulsmoment), een volledig kwantumkwaliteit..
Het elektron is bijvoorbeeld een fermion met een semi-integer spin, terwijl bosonen een integer spin hebben, waardoor hun statistisch gedrag anders is..
Fermionen zijn graag anders en daarom gehoorzamen ze aan het Pauli-uitsluitingsprincipe, volgens welke er geen twee fermionen in het atoom kunnen zijn met dezelfde kwantumtoestand. Om deze reden bevinden de elektronen zich in verschillende atomaire orbitalen en bezetten ze dus niet dezelfde kwantumtoestand.
Aan de andere kant houden bosonen zich niet aan het uitsluitingsprincipe, dus ze hebben geen probleem om dezelfde kwantumtoestand te bezetten.
Een ander belangrijk feit bij het begrijpen van CBE is de dubbele aard van materie: golf en deeltje tegelijk..
Zowel fermionen als bosonen kunnen worden omschreven als een golf met een zekere uitbreiding in de ruimte. Golflengte λ van deze golf is gerelateerd aan zijn momentum of momentum p, via de vergelijking van De Broglie:
Waar h de constante van Planck is, waarvan de waarde 6,62607015 × 10 is-3. 4 J.s.
Bij verhoogde temperaturen overheerst thermisch roeren, wat betekent dat het momentum p is groot en de golflengte λ is klein. Atomen vertonen dus hun eigenschappen als deeltjes.
Maar als de temperatuur daalt, neemt de thermische beweging af en daarmee het momentum, waardoor de golflengte toeneemt en de golfkarakteristieken de overhand krijgen. De deeltjes zijn dus niet langer gelokaliseerd, omdat de respectievelijke golven in grootte toenemen en elkaar overlappen..
Er is een bepaalde kritische temperatuur waaronder de bosonen in de grondtoestand terechtkomen, dat is de toestand met de laagste energie (het is niet 0). Dit is wanneer condensatie optreedt.
Het resultaat is dat de bosonische atomen niet meer te onderscheiden zijn en het systeem een soort superatoom wordt, beschreven door een enkele golffunctie. Het komt overeen met het bekijken door een krachtige vergrotende lens waarmee de details kunnen worden gewaardeerd.
De moeilijkheid van het experiment ligt in het houden van het systeem op temperaturen die laag genoeg zijn, zodat de golflengte van de Broglie hoog blijft..
De Colorado-wetenschappers bereikten dit door een laserkoelsysteem te gebruiken, dat bestaat uit het frontaal raken van het atoommonster met zes laserlichtstralen om ze abrupt te vertragen en zo hun thermische agitatie drastisch te verminderen..
Vervolgens werden de koudere en langzamere atomen gevangen door een magnetisch veld, waardoor de snellere atomen konden ontsnappen om het systeem verder af te koelen..
De op deze manier opgesloten atomen slaagden erin om gedurende korte ogenblikken een kleine druppel CBE te vormen, die lang genoeg duurde om in een afbeelding te worden geregistreerd..
CBE-applicaties zijn momenteel in volle ontwikkeling en het zal nog even duren voordat ze werkelijkheid worden..
Het handhaven van consistentie in kwantumcomputers is geen gemakkelijke taak, en daarom zijn CBE's voorgesteld als een middel om informatie-uitwisseling tussen individuele kwantumcomputers in stand te houden..
De lichtsnelheid in vacuüm is een constante van aard, hoewel de waarde ervan in andere media, zoals water, kan verschillen.
Dankzij CBE's is het volgens sommige experimenten mogelijk om de lichtsnelheid sterk te verminderen, tot wel 17 m / s. Het is iets dat ons niet alleen in staat zal stellen nog dieper in te gaan op de studie van de aard van licht, maar ook het gebruik ervan in kwantumcomputers om informatie op te slaan..
Koude atomen maken het mogelijk om zeer nauwkeurige atoomklokken te creëren, die minimale vertragingen ervaren gedurende lange perioden in de orde van miljoenen jaren, zeer nuttige eigenschappen bij het synchroniseren van GPS-systemen..
De atoomkrachten die in het condensaat worden gegenereerd, kunnen helpen bij het simuleren van de omstandigheden waaronder fysische processen plaatsvinden in enkele opmerkelijke objecten in het universum, zoals neutronensterren en zwarte gaten..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.