KONDENZÁT BOSE-EINSTEIN: VLASTNOSTI A APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Bose-Einstein kondenzát je stav hmoty, který se vyskytuje v určitých částic při teplotách blízkých absolutní nule. Dlouho se předpokládalo, že jedinými třemi možnými stavy agregace hmoty jsou pevná látka, kapalina a plyn.

Poté byl objeven čtvrtý stav: plazma; a Bose-Einsteinův kondenzát je považován za pátý stav. Charakteristickou vlastností je to, že částice v kondenzátu se chovají spíše jako velký kvantový systém, než jako obvykle (jako sada jednotlivých kvantových systémů nebo jako seskupení atomů).

Jinými slovy lze říci, že celá skupina atomů, které tvoří kondenzát Bose-Einstein, se chová, jako by to byl jediný atom.

Původ

Stejně jako mnoho nedávnějších vědeckých objevů byla existence kondenzátu teoreticky odvozena dříve, než existovaly empirické důkazy o její existenci.

Teprve Albert Einstein a Satyendra Nath Bose teoreticky předpověděli tento jev ve společné publikaci ve 20. letech 20. století, a to nejprve v případě fotonů a poté v případě hypotetických plynných atomů.

Demonstrace jejich skutečné existence byla možná teprve před několika desítkami let, kdy byl vzorek ochlazen na teploty dostatečně nízké, aby se ověřilo, že očekávané rovnice jsou pravdivé.

Satyendra Nath Bose

Získání

Kondenzát Bose-Einstein byl získán v roce 1995 Ericem Cornellem, Carlem Wiemanem a Wolfgangem Ketterlem, kteří se díky němu nakonec podělí o Nobelovu cenu za fyziku za rok 2001.

Aby dosáhli kondenzátu Bose-Einstein, uchýlili se k řadě experimentálních technik atomové fyziky, jimž se jim podařilo dosáhnout teploty 0,00000002 stupňů Kelvina nad absolutní nulou (teplota mnohem nižší než nejnižší teplota pozorovaná ve vesmíru)..

Eric Cornell a Carlo Weiman použili tyto techniky na zředěný plyn tvořený atomy rubidia; z jejich strany je Wolfgang Ketterle krátce nato aplikoval na atomy sodíku.

Bosoni

Název boson se používá na počest indického fyzika Satyendry Nath Bose. Ve fyzice částic jsou uvažovány dva základní typy elementárních částic: bosony a ferminiony.

To, co určuje, zda je částice boson nebo fermion, je, zda je jeho rotace celé nebo poloviční celé číslo. Konečně bosony jsou částice, které mají na starosti přenos sil interakce mezi fermiony.

Pouze bosonové částice mohou mít tento stav Bose-Einsteinova kondenzátu: pokud jsou chlazené částice fermiony, pak se to nazývá Fermiho kapalina.

Je to tak proto, že bosony na rozdíl od fermionů nemusí splňovat Pauliho vylučovací princip, který uvádí, že dvě identické částice nemohou být ve stejném kvantovém stavu současně.

Všechny atomy jsou stejný atom

V kondenzátu Bose-Einstein jsou všechny atomy naprosto stejné. Tímto způsobem je většina atomů v kondenzátu na stejné kvantové úrovni a klesá na nejnižší možnou energetickou úroveň.

Sdílením tohoto stejného kvantového stavu a všech, kteří mají stejnou (minimální) energii, jsou atomy nerozeznatelné a chovají se jako jediný „super atom“.

Vlastnosti

Skutečnost, že všechny atomy mají stejné vlastnosti, předpokládá řadu určitých teoretických vlastností: atomy zaujímají stejný objem, rozptylují světlo stejné barvy a mimo jiné se tvoří homogenní médium.

Tyto vlastnosti jsou podobné vlastnostem ideálního laseru, který vyzařuje koherentní světlo (prostorově i časově), jednotné, monochromatické, ve kterém jsou všechny vlny a fotony absolutně stejné a pohybují se stejným směrem, v ideálním případě tedy ne rozptýlit.

Aplikace

Možnosti, které tento nový stav hmoty nabízí, je mnoho, některé opravdu úžasné. Mezi současné nebo ve vývoji patří mezi nejzajímavější aplikace kondenzátů Bose-Einstein následující:

- Jeho použití spolu s atomovými lasery k vytvoření vysoce přesných nanostruktur.

- Detekce intenzity gravitačního pole.

- Výroba přesnějších a stabilnějších atomových hodin, než jsou ty, které v současné době existují.

- Simulace v malém měřítku pro studium určitých kosmologických jevů.

- Aplikace superfluidity a supravodivosti.

- Aplikace odvozené od jevu známého jako pomalé nebo pomalé světlo; například v teleportaci nebo v slibné oblasti kvantového zpracování.

- Prohloubení znalostí kvantové mechaniky, provádění složitějších a nelineárních experimentů, jakož i ověřování některých nedávno formulovaných teorií. Kondenzáty nabízejí možnost obnovení jevů, které se v laboratořích vyskytují ve světelných letech.

Jak je vidět, kondenzáty Bose-Einstein lze použít nejen k vývoji nových technik, ale také k upřesnění některých již existujících technik.

Ne nadarmo nabízejí vysokou přesnost a spolehlivost, což je možné díky jejich fázové koherenci v atomovém poli, což umožňuje velkou kontrolu času a vzdáleností.

Proto by Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty mohly být stejně revoluční jako kdysi samotný laser, protože mají mnoho společných vlastností. Velkým problémem k tomu však je teplota, při které jsou tyto kondenzáty produkovány.

Obtížnost tedy spočívá v tom, jak složité je získat, a v jejich nákladné údržbě. Ze všech těchto důvodů je v současné době většina úsilí zaměřena především na jeho aplikaci na základní výzkum.

Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty a kvantová fyzika

Demonstrace existence kondenzátů Bose-Einstein nabízí důležitý nový nástroj pro studium nových fyzikálních jevů ve velmi rozmanitých oblastech.

Není pochyb o tom, že její koherence na makroskopické úrovni usnadňuje studium i porozumění a demonstrace zákonů kvantové fyziky.

Skutečnost, že pro dosažení tohoto stavu hmoty jsou však nezbytné teploty blízké absolutní nule, je však vážnou nevýhodou, jak získat více ze svých neuvěřitelných vlastností.

Reference

1. Bose - Einsteinův kondenzát (nd). Na Wikipedii. Citováno 6. dubna 2018, z es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondenzuje. (nd) Na Wikipedii. Citováno 6. dubna 2018 z en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell a Carl Wieman (1998). Kondenzáty Bose-Einstein, „Výzkum a věda“.
4. A. Cornell a CE Wieman (1998). "Bose - Einsteinův kondenzát". Vědecký Američan.
5. Boson (nd). Na Wikipedii. Citováno 6. dubna 2018, z es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). Na Wikipedii. Citováno 6. dubna 2018 z en.wikipedia.org.