Hmota se může nacházet v různých agregovaných skupenstvích, včetně pevných látek, plynů a kapalin; existují však i další méně známé skupenství, jedním z nich je Bose-Einsteinův kondenzát , který mnoho chemiků, vědců a fyziků považuje za páté skupenství hmoty.
V tomto článku vám řekneme, co je Bose-Einsteinův kondenzát, jeho vlastnosti, aplikace a mnoho dalšího.
Co je Bose-Einsteinův kondenzát
Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) je agregované skupenství hmoty, podobné obvyklým skupenstvím: plynnému, kapalnému a pevnému, ale vyskytuje se při extrémně nízkých teplotách, velmi blízkých absolutní nule.
Skládá se z částic zvaných bosony, které se při těchto teplotách nacházejí v kvantovém stavu s nejnižší energií, známém jako základní stav. Albert Einstein to předpověděl v roce 1924 poté, co si přečetl článek o fotonové statistice, který mu zaslal indický fyzik Satyendra Bose.
Není snadné dosáhnout teplot potřebných pro vznik Bose-Einsteinových kondenzátů v laboratoři, takže potřebná technologie nebyla k dispozici až do roku 1995. V tomto roce se americkým fyzikům Ericovi Cornellovi a Carlu Wiemanovi spolu s německým fyzikem Wolfgangem Ketterlem podařilo pozorovat první Bose-Einsteinovy kondenzáty. Vědci z Colorada použili rubidium-87, zatímco Ketterle získal svůj kondenzát z vysoce zředěného plynu atomů sodíku.
Protože tyto experimenty otevřely dveře nové oblasti studia vlastností hmoty, Kettler, Cornell a Wieman obdrželi v roce 2001 Nobelovu cenu. Právě díky extrémně nízké teplotě mohou atomy plynu s určitými vlastnostmi tvořit uspořádaný stav, přičemž všechny dokážou získat stejnou sníženou energii a hybnost , což se u běžné hmoty neděje.
Hlavní charakteristiky
Jak již bylo zmíněno, hmota má nejen tři základní skupenství: kapalné, pevné a plynné, ale existuje také čtvrté a páté skupenství: plazma a ionizovaný stav. Bose-Einsteinův kondenzát je jedním z těchto stavů a má několik charakteristik:
- Je to agregovaný stav tvořený souborem bosonů, které jsou elementárními částicemi.
- Je považován za pátý stav agregace, který mohou materiály nabýt.
- Poprvé byl pozorován v roce 1995, takže je docela nový.
- Má kondenzační proces blízký absolutní nule.
- Je supertekutý, což znamená, že má schopnost látky eliminovat tření.
- Je supravodivý a má nulový elektrický odpor.
- Je také známá jako kvantová kostka ledu.
Původ Bose-Einsteinova kondenzátu
Když je plyn uzavřen v nádobě, částice, které tvoří plyn, jsou normálně udržovány v dostatečné vzdálenosti od sebe, takže dochází k velmi malé interakci, nehledě na občasné kolize mezi sebou a se stěnami nádoby. Odtud je odvozen známý model ideálního plynu.
Částice jsou však v neustálém tepelném pohybu a teplota je rozhodujícím parametrem pro rychlost: čím vyšší je teplota, tím rychleji se pohybují . I když se rychlost každé částice může měnit, průměrná rychlost systému zůstává při dané teplotě konstantní.
Dalším důležitým faktem je, že hmota se skládá ze dvou typů částic: fermionů a bosonů, které se liší svým spinem (vnitřní moment hybnosti), které jsou zcela kvantové povahy. Například elektrony jsou fermiony s polovičními celočíselnými spiny, zatímco bosony mají celočíselné spiny, což odlišuje jejich statistické chování.
Fermiony se rády liší, a proto se řídí Pauliho vylučovacím principem , podle kterého dva fermiony v atomu nemohou mít stejný kvantový stav. Proto jsou elektrony na různých atomových orbitalech, a proto neobsazují stejný kvantový stav.
Na druhé straně bosony neposlouchají princip odpuzování, a proto nemají žádné námitky proti obsazení stejného kvantového stavu. Obtížnou částí experimentu je udržet systém dostatečně chladný, aby de Broglieho vlnová délka zůstala vysoká.
Vědci z Colorada toho dosáhli pomocí laserového chladicího systému, který zahrnuje čelní dopad šesti laserových paprsků na atomové vzorky, což způsobí jejich náhlé zpomalení a tím výrazné snížení jejich tepelných poruch.
Pomalejší, chladnější atomy jsou zachyceny v magnetickém poli, což umožňuje rychlejším atomům uniknout a dále chladit systém. Takto ohraničené atomy dokázaly na krátkou dobu vytvořit malou kuličku Bose-Einsteinova kondenzátu, která vydržela dostatečně dlouho na to, aby se dala zaznamenat do obrazu.
aplikace
Jednou z nejslibnějších aplikací Bose-Einsteinových kondenzátů je vytváření přesných zařízení pro měření času a detekci gravitačních vln. Protože se atomy v kondenzátu pohybují jako jeden celek, jsou mnohem přesnější než konvenční atomové hodiny a lze je použít k měření času s nebývalou přesností.
Další oblastí, kde lze toto páté skupenství hmoty uplatnit, jsou kvantové výpočty, které by mohly umožnit vytvoření počítačů mnohem výkonnějších a efektivnějších než ty, které jsou v současnosti k dispozici . Atomy v kondenzátu lze použít jako qubity, základní stavební bloky kvantového počítače, a jejich kvantové vlastnosti by mohly umožnit mnohem rychlejší a přesnější výpočty než ty, které jsou možné s konvenčními počítači. Proto kvantové počítače v současné době vyvolávají tolik diskusí.
Bose-Einsteinův kondenzát se navíc používá také ve výzkumu materiálové fyziky a při vytváření nových materiálů s mimořádnými vlastnostmi. Například byl použit k vytvoření supravodivých materiálů, které by mohly způsobit revoluci v elektronickém průmyslu a umožnit vytvoření mnohem efektivnějších a výkonnějších zařízení.
Doufám, že s těmito informacemi se můžete dozvědět více o Bose-Einsteinově kondenzátu, jeho vlastnostech a aplikacích.
