BOSE-EINŠTEINA KONDENSĀTS: ĪPAŠĪBAS UN PIELIETOJUMS - FIZISKĀ - 2025

Bose-Einstein kondensāta ir valsts matērijas, kas notiek atsevišķās daļiņās temperatūrā tuvu absolūtās nulles. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka vienīgie trīs iespējamie vielas agregācijas stāvokļi ir cietā, šķidrā un gāzu.

Tad tika atklāts ceturtais stāvoklis: plazmas stāvoklis; un Bosa-Einšteina kondensāts tiek uzskatīts par piekto stāvokli. Raksturīgais īpašums ir tāds, ka kondensātā esošās daļiņas uzvedas kā liela kvantu sistēma, nevis kā parasti (kā atsevišķu kvantu sistēmu kopums vai kā atomu grupa).

Citiem vārdiem sakot, var teikt, ka viss atomu kopums, kas veido Bose-Einšteina kondensātu, uzvedas tā, it kā tas būtu viens atoms.

Izcelsme

Tāpat kā daudzi jaunākie zinātniskie atklājumi, teorētiski kondensāta esamība tika secināta, pirms nebija empīrisku pierādījumu par tā esamību.

Tieši Alberts Einšteins un Satyendra Nath Bose 1920. gados teorētiski paredzēja šo parādību kopīgā publikācijā. Viņi to vispirms izdarīja attiecībā uz fotoniem un pēc tam uz hipotētiskiem gāzveida atomiem.

To patiesās eksistences pierādīšana nebija iespējama pirms dažām desmitgadēm, kad paraugu atdzesēja līdz pietiekami zemai temperatūrai, lai pārbaudītu, vai paredzētie vienādojumi ir patiesi.

Satyendra Nath Bose

Iegūšana

Bose-Einšteina kondensātu 1995. gadā ieguva Ēriks Kornels, Karlo Vimans un Volfgangs Ketterls, kuri, pateicoties tam, galu galā sadalīs 2001. gada Nobela prēmiju fizikā.

Lai sasniegtu Bose-Einšteina kondensātu, viņi ķērās pie virknes atomu fizikas eksperimentālo paņēmienu, ar kuru palīdzību viņiem izdevās sasniegt 0,00000002 grādus Kelvina temperatūru virs absolūtās nulles (temperatūra ir daudz zemāka nekā zemākā novērotā temperatūra kosmosā). .

Ēriks Kornels un Karlo Veimans izmantoja šos paņēmienus atšķaidītā gāzē, ko veido rubīdija atomi; no savas puses Volfgangs Ketterle neilgi pēc tam tos uzklāja uz nātrija atomiem.

Bosoni

Vārds bozons tiek izmantots par godu Indijā dzimušajam fiziķim Satyendra Nath Bose. Daļiņu fizikā tiek apskatīti divi pamata elementu tipi: bozoni un ferminjoni.

Tas, vai daļiņa ir bozons vai fermions, nosaka, vai tā spins ir vesels skaitlis vai nepilns vesels skaitlis. Galu galā bozoni ir daļiņas, kas atbild par mijiedarbības spēku pārnešanu starp fermioniem.

Bosa-Einšteina kondensāta stāvoklis var būt tikai bozonu daļiņām: ja atdzesētās daļiņas ir fermijas, tad sasniegtais tiek saukts par Fermi šķidrumu.

Tas notiek tāpēc, ka bozoniem, atšķirībā no fermioniem, nav jāizpilda Pauli izslēgšanas princips, kas nosaka, ka divas identiskas daļiņas nevar atrasties vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī vienlaikus.

Visi atomi ir viens un tas pats atoms

Bose-Einšteina kondensātā visi atomi ir absolūti vienādi. Tādējādi lielākā daļa kondensāta atomu ir vienā un tajā pašā kvantu līmenī, nolaižoties līdz zemākajam iespējamajam enerģijas līmenim.

Daloties vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī un visiem, kam ir tāda pati (minimālā) enerģija, atomi nav atšķirami un rīkojas kā viens “superatoms”.

Īpašības

Fakts, ka visiem atomiem ir identiskas īpašības, paredz noteiktu teorētisko īpašību virkni: atomi aizņem vienādu tilpumu, vienas krāsas izkliedes gaismu un viendabīgu barotni veido starp citām īpašībām.

Šīs īpašības ir līdzīgas ideālā lāzera īpašībām, kas izstaro koherentu gaismu (telpiski un laikā), vienveidīgu, vienkrāsainu, kurā visi viļņi un fotoni ir absolūti vienādi un pārvietojas vienā virzienā, ideālā gadījumā izklīst.

Lietojumprogrammas

Šī jaunā matērijas stāvokļa piedāvātās iespējas ir daudz, dažas patiesi pārsteidzošas. Starp pašreizējiem vai attīstībā esošajiem Bose-Einšteina kondensātu visinteresantākajiem pielietojumiem ir šādi:

- Tā izmantošana kopā ar atomu lāzeriem augstas precizitātes nanostruktūru izveidošanai.

- Gravitācijas lauka intensitātes noteikšana.

- Izgatavot precīzākus un stabilākus atomu pulksteņus nekā pašlaik.

- Neliela mēroga simulācijas noteiktu kosmoloģisko parādību izpētei.

- Superfluidity un supravadītspējas pielietojumi.

- lietojumi, kas iegūti no parādības, kas pazīstama kā lēna gaisma vai lēna gaisma; piemēram, teleportācijā vai daudzsološajā kvantu skaitļošanas jomā.

- Kvantu mehānikas zināšanu padziļināšana, sarežģītāku un nelineāru eksperimentu veikšana, kā arī dažu nesen formulētu teoriju pārbaude. Kondensāti piedāvā iespēju atkārtot parādības, kas laboratorijās notiek gaismas gadu attālumā.

Kā redzams, Bose-Einšteina kondensātus var izmantot ne tikai jaunu paņēmienu izstrādei, bet arī dažu jau esošo paņēmienu uzlabošanai.

Ne velti tie piedāvā lielu precizitāti un uzticamību, kas ir iespējama to fāzu saskaņotības dēļ atomu laukā, kas atvieglo lielisku laika un attālumu kontroli.

Tādēļ Bose-Einšteina kondensāti varētu būt tikpat revolucionāri kā savulaik pats lāzers, jo tiem ir daudz kopīgu īpašību. Tomēr liela problēma, lai tas notiktu, ir temperatūra, kurā šie kondensāti tiek ražoti.

Tādējādi grūtības ir gan to iegūšanas sarežģītībā, gan dārgajā uzturēšanā. Visu šo iemeslu dēļ pašlaik lielākoties pūles tiek veltītas tā piemērošanai pamatpētījumos.

Bose-Einšteina kondensāti un kvantu fizika

Bose-Einšteina kondensātu esamības demonstrēšana ir piedāvājusi svarīgu jaunu instrumentu jaunu fizisko parādību izpētei ļoti dažādās jomās.

Nav šaubu, ka tā saskanība makroskopiskā līmenī atvieglo gan pētījumu, gan kvantfizikas likumu izpratni un demonstrēšanu.

Tomēr fakts, ka, lai sasniegtu šo matērijas stāvokli, ir nepieciešama temperatūra tuvu absolūtai nullei, ir nopietns trūkums, lai vairāk izmantotu tā neticamās īpašības.

Atsauces

1. Bose - Einšteina kondensāts (nd). Vietnē Wikipedia. Saņemts 2018. gada 6. aprīlī no es.wikipedia.org.
2. Bose - Einšteina kondensāts. (nd) Vikipēdijā. Saņemts 2018. gada 6. aprīlī no vietnes en.wikipedia.org.
3. Ēriks Kornels un Karls Veimans (1998). Bose-Einšteina kondensāti, "Pētniecība un zinātne".
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Bose - Einšteina kondensāts". Zinātniskais amerikānis.
5. Bosons (nd). Vietnē Wikipedia. Saņemts 2018. gada 6. aprīlī no es.wikipedia.org.
6. Bosons (nd). Vietnē Wikipedia. Saņemts 2018. gada 6. aprīlī no vietnes en.wikipedia.org.