Bose Einstein Kondensat

Wir erklären, was das Kondensat des Bose-Einsteins, seine Herkunft, Eigenschaften, wie sie erhalten wird und seine Anwendungen

Abbildung 1.- In der Kondensat von Bose Einstein werden niedrigem Temperaturbosonen im niedrigsten Energiezustand gehalten. Quelle: f. Zapata

Was ist Bose Einsteins Kondensat??

Bose Einsteins Kondensat (CBE) ist ein Aggregationszustand sowie die üblichen Zustände: gasförmig, flüssig und fest, aber bei extrem niedrigen Temperaturen statt.

Es besteht aus Partikeln, die als Bosonen bezeichnet werden, die sich bei diesen Temperaturen im Quantenzustand der niedrigeren Energie befinden, genannt Grundzustand. Albert Einstein hat diesen Umstand im Jahr 1924 vorausgesagt, nachdem er die von der hinduistischen Physikerin Satyendra Bose gesendeten Werke über die Statistiken der Photonen gesendet hatte.

Im Labor ist es nicht einfach.

In diesem Jahr gelang es den amerikanischen Physikern Eric Cornell und Carl Wieman (Universität von Colorado) und dann der deutsche Physiker Wolfgang Ketterle (MIT), das erste Kondensat von Bose-Einstein zu beobachten. Colorado-Wissenschaftler verwendeten Rubidio-87, während Ketterle es durch ein extrem verdünntes Gas von Natriumatomen erreichte.

Dank dieser Experimente, die die Türen für neue Forschungsfelder in der Art des Subjekts öffneten, erhielten Ketterle, Cornell und Wieman den Nobelpreis im Jahr 2001.

Und es ist, dass die sehr niedrigen Temperaturen es ermöglichen, dass die Atome eines Gases mit bestimmten Merkmalen einen solchen ordnungsgemäßen Zustand durchgeführt haben, dass sie es schaffen, die gleiche reduzierte Energie und Bewegung zu erwerben, was in gewöhnlicher Materie nicht passiert.

Bose-Einstein-Kondensateigenschaften

Schauen wir uns die Haupteigenschaften des Bose-Einstein-Kondensat an:

• Bose-Einstein-Kondensat wird in Gasen produziert, die aus sehr verdünnten bosonischen Atomen bestehen.
• Die Atome im Kondensat bleiben im gleichen Quantenzustand: der grundlegende oder niedrigere Energiezustand.
• Es sind extrem niedrige Temperaturen erforderlich, nur einige Nano-Kelvin über dem absoluten Null. Je niedriger die Temperatur ist, ist das Wellenverhalten der Partikel zunehmend offensichtlich.
• Grundsätzlich existiert die Materie im Bose Einstein -Kondensatzustand in der Natur nicht, da bisher Temperaturen nicht unter 3 K nachgewiesen wurden.
• Einige CBE haben Superkondivität und Superfluidität, dh mangelnde Opposition gegen den Durchgang des Strom.
• Die Atome im Kondensat, die alle im gleichen Quantenzustand sind, präsentieren eine Gleichmäßigkeit ihrer Eigenschaften.

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Ursprung des Bose-Einstein-Kondensat

Wenn Sie ein Gas in einem Behälter einsperrt haben, normalerweise die Partikel, aus denen es besteht, hält es genügend Abstand voneinander und interagiert sehr wenig, mit Ausnahme gelegentlicher Kollisionen zwischen ihnen und mit den Wänden des Behälters. Von dort leitet sich das gut bekannte ideale Gasmodell ab.

Die Partikel befinden sich jedoch in einer dauerhaften thermischen Agitation, und die Temperatur ist der entscheidende Parameter, der die Geschwindigkeit definiert: bei einer höheren Temperatur, schnellerer Bewegung.

Und während die Geschwindigkeit jedes Teilchens variieren kann, bleibt die Durchschnittsgeschwindigkeit des Systems bei einer bestimmten Temperatur konstant.

Fermionen und Bosonen

Die folgende wichtige Tatsache besteht.

Das Elektron zum Beispiel ist ein Fermion mit halbhaftem Spin, während Bosonen einen ganzen Spin haben, was ihr statistisches Verhalten unterscheidet.

Fermionen mögen es, anders zu sein und daher Paulis Ausschlussprinzip zu befolgen, nach der es nicht zwei Fermionen im Atom mit demselben Quantenzustand geben können. Aus diesem Grund befinden sich die Elektronen in verschiedenen atomaren Orbitalen und belegen daher nicht den gleichen Quantenzustand.

Auf der anderen Seite halten Bosonen nicht an das Prinzip des Ausschlusses, daher haben sie keine Unannehmlichkeiten, den gleichen Quantenzustand zu besetzen.

Doppelte Natur der Materie

Eine weitere wichtige Tatsache im Verständnis des CBE ist die doppelte Natur der Sache: Welle und Teilchen gleichzeitig.

Sowohl Fermionen als auch Bosonen können als Welle mit einer bestimmten Verlängerung im Raum beschrieben werden. Die Wellenlänge λ dieser Welle hängt mit ihrer zusammen Schwung oder Bewegungsmenge P, Durch De Broglies Gleichung:

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Wobei H Plancks Konstante ist, dessen Wert 6.62607015 × 10 beträgt^{-3. 4} J.S.

Bei hohen Temperaturen überwiegt die thermische Agitation, was bedeutet, dass der Impuls P ist groß und Wellenlänge λ ist klein. Atome zeigen somit ihre Eigenschaften als Partikel.

Wenn die Temperatur jedoch abfällt, nimmt die thermische Agitation ab und damit der Impuls, der entsteht, dass die Wellenlänge zunimmt und die welligen Eigenschaften vorherrschen. So werden die Partikel aufgehören, sich zu finden, da die jeweiligen Wellen ihre Größe erhöhen und sich überlappen.

Es gibt eine gewisse kritische Temperatur, unter der die Bosonen im grundlegenden Zustand liegen, der der Zustand mit der niedrigsten Energie ist (es ist nicht 0). Das ist, wenn Kondensation auftritt.

Das Ergebnis ist, dass bosonische Atome nicht mehr unterscheidbar sind und das System zu einer Art Super -Atom wird, das von einer einzelnen Wellenfunktion beschrieben wird. Es ist gleichbedeutend damit, es durch ein starkes Zunahme -Objektiv zu sehen, mit dem Sie seine Details sehen können.

Wie bekommt man das Kondensat??

Die Schwierigkeit des Experiments besteht darin.

Colorado -Wissenschaftler haben es durch ein Laserkühlsystem erreicht, das darin besteht.

Dann wurden die kälteren und langsameren Atome von einem Magnetfeld gefangen, wobei das schnellste das System weiter abkühlen ließ.

Kann Ihnen dienen: Kirchhoff -Gesetze Figur 2.- Geschwindigkeitsverteilung von RB -Atomen im CBE. Der weiße Peak repräsentiert die größte Anzahl von Atomen mit einer geschätzten Geschwindigkeit von 0.5 mm/s. Quelle: Wikimedia Commons.

Die auf diese Weise begrenzten Atome konnten für einige Momente einen winzigen Tropfen CBE bilden, der genug Zeit dauerte, um in einem Bild aufgezeichnet zu werden.

Anwendungen und Beispiele

CBE -Anwendungen sind derzeit in voller Entwicklung und werden noch einige Zeit zuvor verbringen.

Quanten-Computing

Die Aufrechterhaltung der Kohärenz in Quantencomputern ist keine leichte Aufgabe, daher wurde CBE als Mittel zur Aufrechterhaltung des Informationsaustauschs zwischen einzelnen Quantencomputern vorgeschlagen.

Reduzierung der Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Konstante der Natur, obwohl ihr Wert in anderen Medien wie im Wasser unterschiedlich sein kann.

Dank der CBE ist es möglich, die Lichtgeschwindigkeit bis zu 17 m/s weitgehend zu reduzieren, nach einigen Experimenten bis zu 17 m/s. Dies ist etwas, das es nicht nur erlaubt, noch mehr in der Untersuchung der Art des Lichts zu vertiefen, sondern auch die Verwendung im Quantencomputer, um Informationen zu speichern.

Atomwächte mit großer Präzision

Kaltatome ermöglichen die Schaffung von Atomuhren mit großer Präzision, die in langen Zeiträumen minimale Verzögerungen in der Größenordnung von Millionen von Jahren erleben, sehr nützliche Eigenschaften bei der Synchronisierung von GPS -Systemen.

Simulation kosmologischer Prozesse

Die Atomkräfte, die im Kondensat erzeugt werden.

Verweise

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