KONDENSAT BOSE-EINSTEIN: SIFAT DAN APLIKASI - FIZIKAL - 2026

The Bose-Einstein kondensat adalah keadaan perkara yang berlaku pada zarah tertentu pada suhu hampir sifar mutlak. Sejak sekian lama difikirkan bahawa satu-satunya tiga keadaan agregat jirim adalah pepejal, cair dan gas.

Kemudian keadaan keempat ditemui: plasma; dan kondensat Bose-Einstein dianggap sebagai keadaan kelima. Sifat ciri adalah bahawa zarah-zarah dalam kondensat berperilaku sebagai sistem kuantum yang besar dan bukan seperti yang biasa mereka lakukan (sebagai satu set sistem kuantum individu atau sebagai sekelompok atom).

Dengan kata lain, dapat dikatakan bahawa seluruh set atom yang membentuk kondensat Bose-Einstein berperilaku seolah-olah itu adalah atom tunggal.

Asal

Seperti banyak penemuan saintifik baru-baru ini, keberadaan kondensat secara teorinya disimpulkan sebelum ada bukti empirikal tentang keberadaannya.

Oleh itu, Albert Einstein dan Satyendra Nath Bose yang secara teorinya meramalkan fenomena ini dalam penerbitan bersama pada tahun 1920-an. Mereka melakukannya terlebih dahulu untuk foton dan kemudian untuk atom gas hipotesis.

Demonstrasi keberadaannya sebenarnya tidak mungkin dilakukan beberapa dekad yang lalu, ketika mungkin sampel untuk menyejukkan suhu hingga cukup rendah untuk mengesahkan bahawa persamaan yang dijangkakan itu benar.

Satyendra Nath Bose

Mendapatkan

Kondensat Bose-Einstein diperoleh pada tahun 1995 oleh Eric Cornell, Carlo Wieman dan Wolfgang Ketterle yang, berkat itu, akhirnya akan berkongsi Hadiah Nobel Fizik tahun 2001.

Untuk mencapai kondensat Bose-Einstein, mereka menggunakan satu siri teknik eksperimen fizik atom, dengan mana mereka berjaya mencapai suhu 0,00000002 darjah Kelvin di atas sifar mutlak (suhu jauh lebih rendah daripada suhu terendah yang diperhatikan di angkasa lepas). .

Eric Cornell dan Carlo Weiman menggunakan teknik ini pada gas cair yang terdiri daripada atom rubidium; untuk pihaknya, Wolfgang Ketterle menerapkannya tidak lama kemudian pada atom natrium.

Boson

Nama boson digunakan untuk menghormati ahli fizik kelahiran India Satyendra Nath Bose. Dua jenis asas zarah unsur dipertimbangkan dalam fizik zarah: boson dan fermin.

Apa yang menentukan sama ada zarah adalah boson atau fermion adalah sama ada putarannya adalah bilangan bulat atau separuh bulat. Pada akhirnya, boson adalah zarah yang bertugas memancarkan daya interaksi antara fermion.

Hanya zarah bosonik yang dapat mempunyai keadaan kondensat Bose-Einstein ini: jika zarah yang disejukkan adalah fermion, apa yang dicapai disebut cecair Fermi.

Ini berlaku kerana boson, tidak seperti fermion, tidak harus memenuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahawa dua zarah yang sama tidak boleh berada dalam keadaan kuantum yang sama pada masa yang sama.

Semua atom adalah atom yang sama

Dalam kondensat Bose-Einstein semua atom adalah sama. Dengan cara ini, sebahagian besar atom di kondensat berada pada tahap kuantum yang sama, turun ke tahap tenaga serendah mungkin.

Dengan berkongsi keadaan kuantum yang sama dan semua mempunyai tenaga (minimum) yang sama, atom tidak dapat dibezakan dan berperilaku sebagai "atom super" tunggal.

Hartanah

Fakta bahawa semua atom mempunyai sifat yang serupa mengandaikan serangkaian sifat teori tertentu: atom menempati isipadu yang sama, mereka menyebarkan cahaya dengan warna yang sama dan medium yang homogen terbentuk, antara ciri lain.

Sifat-sifat ini serupa dengan laser yang ideal, yang memancarkan cahaya koheren (spasial dan temporal), seragam, monokromatik, di mana semua gelombang dan foton sama sekali sama dan bergerak ke arah yang sama, idealnya tidak menghalau.

Permohonan

Kemungkinan yang ditawarkan oleh keadaan baru ini banyak, ada yang sangat mengagumkan. Di antara yang sedang atau sedang dibangunkan, aplikasi kondensat Bose-Einstein yang paling menarik adalah seperti berikut:

- Penggunaannya bersama laser atom untuk membuat struktur nano berketepatan tinggi.

- Pengesanan intensiti medan graviti.

- Pembuatan jam atom yang lebih tepat dan stabil daripada yang ada pada masa ini.

- Simulasi skala kecil untuk kajian fenomena kosmologi tertentu.

- Aplikasi superfluiditi dan superkonduktiviti.

- Aplikasi yang berasal dari fenomena yang dikenali sebagai cahaya perlahan atau cahaya perlahan; sebagai contoh, dalam teleportasi atau dalam bidang pengkomputeran kuantum yang menjanjikan.

- Memperdalam pengetahuan mengenai mekanik kuantum, melakukan eksperimen yang lebih kompleks dan tidak linear, serta pengesahan teori-teori tertentu yang baru dirumuskan. Kondensat menawarkan kemungkinan mencipta fenomena yang berlaku bertahun-tahun cahaya di makmal.

Seperti yang dapat dilihat, kondensat Bose-Einstein dapat digunakan tidak hanya untuk mengembangkan teknik baru, tetapi juga untuk memperbaiki beberapa teknik yang sudah ada.

Tidak sia-sia mereka menawarkan ketepatan dan kebolehpercayaan yang luar biasa, yang mungkin disebabkan oleh fasa koheren mereka di medan atom, yang memudahkan kawalan masa dan jarak.

Oleh itu, kondensat Bose-Einstein dapat sama revolusi dengan laser itu sendiri, kerana mereka mempunyai banyak sifat yang sama. Walau bagaimanapun, masalah besar untuk ini berlaku adalah pada suhu di mana kondensat ini dihasilkan.

Oleh itu, kesukaran terletak pada betapa rumitnya mendapatkannya dan juga penyelenggaraannya yang mahal. Atas semua sebab ini, pada masa ini kebanyakan usaha terutama tertumpu pada penerapannya pada penelitian dasar.

Bose-Einstein kondensat dan fizik kuantum

Demonstrasi kewujudan kondensat Bose-Einstein telah menawarkan alat baru yang penting untuk mengkaji fenomena fizikal baru di kawasan yang sangat pelbagai.

Tidak ada keraguan bahawa koherensinya pada tahap makroskopik memudahkan kedua-dua kajian dan pemahaman dan demonstrasi undang-undang fizik kuantum.

Walau bagaimanapun, hakikat bahawa suhu mendekati sifar mutlak diperlukan untuk mencapai keadaan jirim ini adalah kelemahan serius untuk memanfaatkan lebih banyak sifatnya yang luar biasa.

Rujukan

1. Bose - Einstein kondensat (nd). Di Wikipedia. Diakses pada 6 April 2018, dari es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein mengembun. (nd) Di Wikipedia. Diakses pada 6 April 2018, dari en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell dan Carl Wieman (1998). Bose-Einstein Condensates, "Penyelidikan dan Sains."
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Kondensat Bose - Einstein". Amerika saintifik.
5. Boson (nd). Di Wikipedia. Diakses pada 6 April 2018, dari es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). Di Wikipedia. Diakses pada 6 April 2018, dari en.wikipedia.org.