Kondenzát Bose Einstein (CBE) je stav agregace hmoty, stejně jako obvyklé stavy: plynný, kapalný a pevný, ale probíhá při extrémně nízkých teplotách, velmi blízko absolutní nule.
Skládá se z částic nazývaných bosony, které se při těchto teplotách nacházejí v kvantovém stavu s nejnižší energií, tzv základní stav. Albert Einstein předpověděl tuto okolnost v roce 1924, poté, co si přečetl články, které mu zaslal hindský fyzik Satyendra Bose o statistice fotonů..
Není snadné získat potřebné teploty v laboratoři pro tvorbu Bose-Einsteinova kondenzátu, proto bylo nutné počkat do roku 1995 na potřebnou technologii.
V tomto roce se severoamerickým fyzikům Ericovi Cornellovi a Carlu Wiemanovi (University of Colorado) a později německému fyzikovi Wolfgangovi Ketterleovi (MIT) podařilo pozorovat první kondenzáty Bose-Einstein. Vědci z Colorada použili rubidium-87, zatímco Ketterle to dokázal pomocí vysoce zředěného plynu atomů sodíku..
Díky těmto experimentům, které otevřely dveře do nových oblastí výzkumu v oblasti hmoty, obdržely Ketterle, Cornell a Wieman v roce 2001 Nobelovu cenu..
A je to tak, že velmi nízké teploty umožňují atomům plynu s určitými charakteristikami vytvořit tak uspořádaný stav, že se jim všem podaří získat stejnou sníženou energii a množství pohybu, což se v běžné hmotě neděje..
Podívejme se na hlavní charakteristiky kondenzátu Bose-Einstein:
Pokud máte plyn uzavřený v nádobě, částice, které ji tvoří, si obvykle udržují dostatečnou vzdálenost od sebe navzájem a vzájemně interagují velmi málo, s výjimkou občasných kolizí mezi nimi a stěnami nádoby. Odtud pochází známý model ideálního plynu.
Částice jsou však trvale tepelně míchány a teplota je rozhodujícím parametrem, který určuje rychlost: čím vyšší je teplota, tím rychleji se pohybují..
A 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, diferencovaných spinem (vnitřní moment hybnosti), což je zcela kvantová kvalita..
Například elektron je fermion s semi-celočíselným spinem, zatímco bosony mají celočíselný spin, čímž se jejich statistické chování liší..
Fermiony se rádi liší, a proto se řídí Pauliho vylučovacím principem, podle něhož v atomu nemohou být dva fermiony se stejným kvantovým stavem. Z tohoto důvodu jsou elektrony umístěny na různých atomových orbitálech a nezabírají tedy stejný kvantový stav.
Na druhou stranu bosony nedodržují zásadu vyloučení, takže nemají problém obsadit stejný kvantový stav.
Dalším klíčovým faktem v porozumění CBE je dvojí povaha hmoty: vlna a částice současně..
Fermiony i bosony lze popsat jako vlnu s určitým rozšířením v prostoru. Vlnová délka λ této vlny souvisí s jejím hybnost nebo hybnost p, prostřednictvím De Broglieho rovnice:
Kde h je Planckova konstanta, jejíž hodnota je 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
Při zvýšených teplotách převládá tepelné míchání, což znamená, že hybnost p je velká a vlnová délka λ je malý. Atomy tak ukazují své vlastnosti jako částice.
Ale když teplota klesne, tepelné míchání se sníží as ním i hybnost, což způsobí zvýšení vlnové délky a převládají vlnové charakteristiky. Částice tedy již nejsou lokalizovány, protože příslušné vlny se zvětšují a překrývají se navzájem..
Existuje určitá kritická teplota, při které bosony končí v základním stavu, což je stav s nejnižší energií (není to 0). V tomto případě dochází ke kondenzaci.
Výsledkem je, že bosonické atomy již nejsou rozlišitelné a systém se stává jakýmsi superatomem, který je popsán funkcí jedné vlny. Je to ekvivalentní prohlížení pomocí výkonného zvětšovacího objektivu, s nímž lze ocenit jeho detaily.
Obtížnost experimentu spočívá v udržování systému na dostatečně nízkých teplotách, aby vlnová délka de Broglie zůstala vysoká..
Coloradští vědci toho dosáhli pomocí laserového chladicího systému, který spočívá v čelním zasažení vzorku atomů šesti paprsky laserového světla, které je náhle zpomalí a tím drasticky sníží jejich tepelné míchání..
Potom byly chladnější a pomalejší atomy zachyceny magnetickým polem a rychlejší unikly, aby systém dále ochladily..
Takto uzavřené atomy dokázaly na krátkou chvíli vytvořit malou kapku CBE, která trvala dostatečně dlouho na to, aby ji bylo možné zaregistrovat do obrazu..
Aplikace CBE jsou v současné době v plném vývoji a ještě nějakou dobu potrvá, než se zhmotní..
Udržování konzistence v kvantových počítačích není snadný úkol, a proto byly CBE navrženy jako prostředek k udržování výměny informací mezi jednotlivými kvantovými počítači..
Rychlost světla ve vakuu je konstantní povahy, i když jeho hodnota v jiných médiích, jako je voda, může být odlišná.
Díky CBE je podle některých experimentů možné výrazně snížit rychlost světla až na 17 m / s. Je to něco, co nám nejen umožní jít ještě hlouběji do studia podstaty světla, ale také jeho využití v kvantové výpočetní technice k ukládání informací.
Studené atomy umožňují vytváření vysoce přesných atomových hodin, které po dlouhou dobu dosahují minimálního zpoždění řádově milionů let, což jsou velmi užitečné vlastnosti při synchronizaci systémů GPS..
Atomové síly, které jsou generovány v kondenzátu, mohou pomoci simulovat podmínky, za kterých dochází k fyzickým procesům v některých pozoruhodných objektech ve vesmíru, jako jsou neutronové hvězdy a černé díry..
Zatím žádné komentáře