КОНДЕНЗАТ БОЗЕ-АЙНЩАЙН: СВОЙСТВА И ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В кондензата Bose-Einstein е състояние на материята, която се проявява в някои частици при температури близо до абсолютна нула. Дълго време се смяташе, че единствените три възможни състояния на агрегация на материята са твърди, течни и газови.

Тогава беше открито четвъртото състояние: това на плазмата; и кондензатът Бозе-Айнщайн се счита за петото състояние. Характерното свойство е, че частиците в кондензата се държат като голяма квантова система, а не както обикновено (като набор от отделни квантови системи или като групиране на атоми).

С други думи, може да се каже, че целият набор от атоми, съставляващи кондензата на Бозе-Айнщайн, се държи така, сякаш е един атом.

произход

Подобно на много от по-новите научни открития, съществуването на кондензата беше теоретично изведено, преди да има емпирични доказателства за неговото съществуване.

По този начин, Алберт Айнщайн и Сатиндра Нат Босе теоретично предсказаха това явление в съвместна публикация през 1920 г. Те направиха първо за фотони, а след това и за хипотетични газообразни атоми.

Демонстрацията на реалното му съществуване беше невъзможна преди няколко десетилетия, когато беше възможно охлаждането на пробата до достатъчно ниски температури, за да се провери дали това, което предвиждаха уравненията, е вярно.

Satyendra Nath Bose

Получаване

Кондензатът Бозе-Айнщайн е получен през 1995 г. от Ерик Корнел, Карло Уиман и Волфганг Кеттерле, които благодарение на него в крайна сметка ще споделят Нобеловата награда за физика през 2001 г.

За да постигне кондензат, Бозе-Айнщайн прибягва до поредица от експериментални техники за атомна физика, с които успяват да достигнат температура от 0,00000002 градуса Келвин над абсолютната нула (температура, много по-ниска от най-ниската температура, наблюдавана в космическото пространство), Ерик Корнел и Карло Вайман използваха тези техники върху разреден газ, съставен от атоми на рубидий; от своя страна Волфганг Кеттерле ги прилага малко след това върху натриеви атоми.

Бозоните

Името бозон се използва в чест на родения в Индия физик Satyendra Nath Bose. Във физиката на частиците се разглеждат два основни типа елементарни частици: бозони и ферминиони.

Това, което определя дали една частица е бозон или фермион, е дали нейният спин е цяло число или половин цяло число. В крайна сметка бозоните са частиците, които отговарят за предаването на силите на взаимодействие между фермионите.

Само бозоновите частици могат да имат това състояние на Бозе-Айнщайн кондензат: ако частиците, които се охлаждат, са фермиони, това, което се постига, се нарича Ферми течност.

Това е така, защото бозоните, за разлика от фермионите, не трябва да изпълняват принципа на изключване на Паули, който гласи, че две еднакви частици не могат да бъдат в едно и също квантово състояние едновременно.

Всички атоми са един и същ атом

В кондензат Бозе-Айнщайн всички атоми са абсолютно еднакви. По този начин повечето от атомите в кондензата са на едно и също квантово ниво, като се спускат до най-ниското възможно енергийно ниво.

Като споделят същото това квантово състояние и всички имат една и съща (минимална) енергия, атомите са неразличими и се държат като единствен „супер атом“.

Имоти

Фактът, че всички атоми имат идентични свойства, предполага серия от определени теоретични свойства: атомите заемат един и същ обем, те разпръскват светлина със същия цвят и се образува хомогенна среда, наред с други характеристики.

Тези свойства са сходни с тези на идеалния лазер, който излъчва кохерентна светлина (пространствено и времево), равномерна, монохроматична, при която всички вълни и фотони са абсолютно равни и се движат в една и съща посока, поради което в идеалния случай не разсее.

Приложения

Възможностите, предлагани от това ново състояние на материята са много, някои наистина невероятни. Сред настоящите или в процес на развитие най-интересните приложения на кондензатите Bose-Ainstein са следните:

- Използването му заедно с атомни лазери за създаване на високоточни нано-структури.

- Откриване на интензивността на гравитационното поле.

- Производство на по-прецизни и стабилни атомни часовници от тези, които съществуват в момента.

- Мащабни симулации за изследване на определени космологични явления.

- Приложения на свръхтечност и свръхпроводимост.

- Приложения, получени от явлението, известно като бавна светлина или бавна светлина; например в телепортацията или в обещаващото поле на квантовите изчисления.

- задълбочаване на знанията за квантовата механика, провеждане на по-сложни и нелинейни експерименти, както и проверка на някои наскоро формулирани теории. Кондензатите предлагат възможност за пресъздаване на явления, които се наблюдават на светлинни години в лаборатории.

Както се вижда, кондензатите на Бозе-Айнщайн могат да се използват не само за разработване на нови техники, но и за усъвършенстване на някои техники, които вече съществуват.

Не е изненадващо, че те предлагат голяма точност и надеждност, което е възможно поради тяхната фазова кохерентност в атомното поле, което улеснява страхотния контрол на времето и разстоянията.

Следователно кондензатите на Бозе-Айнщайн могат да бъдат толкова революционни, колкото и самият лазер някога, тъй като имат много общи свойства. Големият проблем за това да се случи обаче се крие в температурата, при която се произвеждат тези кондензати.

По този начин трудността се състои както в това колко сложно е получаването им и в скъпата им поддръжка. Поради всички тези причини понастоящем повечето усилия са насочени главно към приложението му в основни изследвания.

Кондензатите на Боза-Айнщайн и квантовата физика

Демонстрацията на съществуването на кондензати от Бозе-Айнщайн предложи важен нов инструмент за изучаване на нови физически явления в много разнообразни области.

Няма съмнение, че неговата съгласуваност на макроскопско ниво улеснява както изучаването, така и разбирането и демонстрирането на законите на квантовата физика.

Фактът, че температурите, близки до абсолютната нула, са необходими, за да се постигне това състояние на материята, е сериозен недостатък, за да се извлечете повече от нейните невероятни свойства.

Препратки

1. Bose - кондензат на Айнщайн (втори). В Уикипедия. Произведено на 6 април 2018 г. от es.wikipedia.org.
2. Bose - Айнщайн кондензира. (nd) В Уикипедия. Произведено на 6 април 2018 г. от en.wikipedia.org.
3. Ерик Корнел и Карл Уиман (1998). Кондензати на Бозе-Айнщайн, „Научни изследвания и наука“.
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). „Кондензатът на Бозе - Айнщайн“. Научен американец.
5. Бозон (втори). В Уикипедия. Произведено на 6 април 2018 г. от es.wikipedia.org.
6. Бозон (втори). В Уикипедия. Произведено на 6 април 2018 г. от en.wikipedia.org.