Материята може да се намери в различни агрегатни състояния, включително твърди вещества, газове и течности; Съществуват обаче и други видове по-малко известни състояния, едно от които е известно като Кондензат на Бозе-Айнщайн, считано от много химици, учени и физици за петото състояние на материята.
В тази статия ще ви разкажем какво представлява кондензатът на Бозе-Айнщайн, неговите характеристики, приложения и много други.
Какво представлява кондензатът на Бозе-Айнщайн
Бозе-Айнщайновият кондензат (BEC) е агрегатно състояние на материята, подобно на обичайните състояния: газообразно, течно и твърдо, но Проявява се при изключително ниски температури, много близки до абсолютната нула.
Състои се от частици, наречени бозони, които при тези температури се намират в квантово състояние с най-ниска енергия, известно като основно състояние. Алберт Айнщайн прогнозира това през 1924 г., след като прочете статия за фотонната статистика, изпратена му от индийския физик Сатиендра Бозе.
Не е лесно да се постигнат температурите, необходими за образуване на кондензат на Бозе-Айнщайн в лабораторията, причината, поради която до 1995 г. не беше възможно да разполагаме с необходимата технология. Същата година американските физици Ерик Корнел и Карл Виман и немският физик Волфганг Кетерле успяха да наблюдават първите кондензати на Бозе-Айнщайн. Учените от Колорадо са използвали рубидий-87, докато Кайтел го е получил чрез силно разреден газ от натриеви атоми.
Тъй като тези експерименти отвориха вратата към нова област на изследване на свойствата на материята, Кетлър, Корнел и Виман получиха Нобелова награда за 2001 г. Именно поради изключително ниската температура газовите атоми с определени свойства образуват подредено състояние, всички от които успяват да придобият същата намалена енергия и импулс, което не се случва в обикновената материя.
ключови характеристики
Както бе споменато по-рано, материята не само има три основни състояния на течност, твърдо вещество и газ, но напротив, има четвърто и пето състояние, които са плазмени и йонизирани. Кондензатът на Бозе-Айнщайн е едно от тези състояния и има няколко характеристики:
- Това е агрегатно състояние, съставено от колекция от бозони, които са елементарни частици.
- Счита се за петото състояние на агрегиране, което материалите могат да приемат.
- За първи път е наблюдаван през 1995 г., така че е доста нов.
- Има процес на кондензация, близък до абсолютната нула.
- Той е супер течен, което означава, че има способността на веществото да елиминира триенето.
- Той е свръхпроводим и има нулево електрическо съпротивление.
- Известен е още като квантово кубче лед.
Произход на Бозе-Айнщайн кондензата
Когато газът е затворен в контейнер, частиците, които съставляват газа, обикновено се държат на достатъчно разстояние една от друга, така че има много слабо взаимодействие, освен случайния сблъсък помежду си и със стените на контейнера. Оттук се получава добре познатият модел на идеалния газ.
Частиците обаче са в постоянно термично разбъркване и температурата е решаващият параметър за скоростта: колкото по-висока е температурата, толкова по-бързо се движат. Въпреки че скоростта на всяка частица може да варира, средната скорост на системата остава постоянна при дадена температура.
Следващият важен факт е, че материята се състои от два вида частици: фермиони и бозони, отличаващи се по своя спин (присъщ ъглов момент), които са напълно квантови по природа. Например, електроните са фермиони с полуцели спинове, докато бозоните имат цели спинове, което прави тяхното статистическо поведение различно.
Фермионите обичат да бъдат различни и затова спазват принципа на изключване на Паули, според който два фермиона в един атом не могат да имат едно и също квантово състояние. Това е причината, поради която електроните са в различни атомни орбитали и следователно не заемат едно и също квантово състояние.
Бозоните, от друга страна, не се подчиняват на принципа на отблъскването и следователно нямат нищо против да заемат едно и също квантово състояние. Трудната част от експеримента е да се поддържа системата достатъчно охладена, така че дължината на вълната на де Бройл да остане висока.
Учените от Колорадо постигнаха това с помощта на лазерна система за охлаждане, която включва удряне на атомни проби челно с шест лазерни лъча, карайки ги внезапно да забавят и по този начин значително намаляват техните термични смущения.
По-бавните, по-хладни атоми се улавят в магнитното поле, което позволява на по-бързите атоми да избягат, за да охладят допълнително системата. Атомите, затворени по този начин, успяха да образуват малко петно от кондензата на Бозе-Айнщайн за кратко време, което продължи достатъчно дълго, за да бъде записано в изображение.
приложения
Едно от най-обещаващите приложения на кондензата на Бозе-Айнщайн е в създаването на прецизни устройства за измерване на времето и откриване на гравитационни вълни. Тъй като атомите в кондензата се движат като едно цяло, те са много по-точни от конвенционалните атомни часовници и могат да се използват за измерване на времето с безпрецедентна прецизност.
Друг аспект, в който това пето състояние на материята може да бъде приложено, е в квантовите изчисления, което би могло да позволи създаването на много по-мощни и ефективни компютри от сегашните. Атомите в кондензат могат да се използват като кубити, основните градивни елементи на квантовия компютър, и техните квантови свойства могат да позволят много по-бързи и по-точни изчисления, отколкото е възможно с конвенционалните компютри. Ето защо в наши дни се говори много за квантовите компютри.
В допълнение, кондензатът на Бозе-Айнщайн се използва и в изследванията на физиката на материалите и при създаването на нови материали с изключителни свойства. Например, свикнал е създават свръхпроводящи материали, които биха могли да революционизират електронната индустрия и позволяват създаването на много по-ефективни и мощни устройства.
Надявам се, че с тази информация можете да научите повече за кондензата на Бозе-Айнщайн, неговите характеристики и приложения.
