КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЕЙНШТЕЙНА: ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Конденсат Бозе-Ейнштейна є стан речовини , яке відбувається в деяких частинок при температурах , близьких до абсолютного нуля. Довгий час вважалося, що єдиними трьома можливими станами агрегації речовини є тверда, рідка та газова.

Тоді було виявлено четвертий стан: стан плазми; а конденсат Бозе-Ейнштейна вважається п'ятим станом. Характерна властивість полягає в тому, що частинки конденсату поводяться як велика квантова система, а не як зазвичай (як сукупність окремих квантових систем або як групування атомів).

Іншими словами, можна сказати, що вся сукупність атомів, що складають конденсат Бозе-Ейнштейна, веде себе так, ніби це один атом.

Походження

Як і багато останніх наукових відкриттів, існування конденсату було теоретично виведено до появи емпіричних доказів його існування.

Таким чином, теоретично передбачив це явище Альберт Ейнштейн та Сатіндра Нат Бозе у спільній публікації у 1920-х рр. Вони робили це спочатку для фотонів, а потім для гіпотетичних газоподібних атомів.

Демонстрація його реального існування була неможливою до декількох десятиліть тому, коли можна було охолодити зразок до досить низьких температур, щоб переконатися, що те, що передбачали рівняння, було правдою.

Satyendra Nath Bose

Отримання

Конденсат Бозе-Ейнштейна був отриманий в 1995 році Еріком Корнеллом, Карло Війманом та Вольфганом Кеттерле, які завдяки йому отримали б Нобелівську премію з фізики 2001 року.

Для досягнення конденсату Бозе-Ейнштейн вдався до серії експериментальних методик атомної фізики, за допомогою яких їм вдалося досягти температури 0,00000002 градусів Кельвіна вище абсолютного нуля (температура набагато нижча за найнижчу температуру, яку спостерігають у космічному просторі) .

Ерік Корнелл та Карло Вейман використовували ці методи на розведеному газі, що складається з атомів рубідію; Зі свого боку, Вольфганг Кеттерле невдовзі застосував їх на атоми натрію.

Бозони

Назва бозон використовується на честь фізика походження Індії Сатіндри Нат Бозе. У фізиці частинок розглянуто два основних типи елементарних частинок: бозони та фермініони.

Що визначає, чи є частинка бозоном чи ферміоном, чи є її спін цілим чи половинним числом. Зрештою, бозони - це частинки, відповідальні за передачу сил взаємодії між ферміонами.

Лише бозонні частинки можуть мати такий стан конденсату Бозе-Ейнштейна: якщо охолоджені частинки - ферміони, те, що досягається, називається рідиною Фермі.

Це так, тому що бозони, на відміну від ферміонів, не повинні виконувати принцип виключення Паулі, який стверджує, що дві однакові частинки не можуть бути в одному і тому ж квантовому стані одночасно.

Усі атоми - один і той же атом

У конденсаті Бозе-Ейнштейна всі атоми абсолютно однакові. Таким чином, більшість атомів конденсату знаходяться на одному квантовому рівні, опускаючись до найнижчого можливого рівня енергії.

Ділячись цим самим квантовим станом і всі, що мають однакову (мінімальну) енергію, атоми не відрізняються і поводяться як єдиний «супер атом».

Властивості

Той факт, що всі атоми мають однакові властивості, передбачає ряд певних теоретичних властивостей: атоми займають однаковий об'єм, вони розсіюють світло одного кольору і утворюється однорідне середовище, серед інших характеристик.

Ці властивості подібні до властивостей ідеального лазера, який випромінює когерентне світло (просторово і часово), рівномірний, монохроматичний, при якому всі хвилі та фотони абсолютно рівні і рухаються в одному напрямку, тому в ідеалі не розсіювати

Програми

Можливості, пропоновані цим новим станом речовини, багато, деякі справді дивовижні. Серед сучасних або в розробці найбільш цікавих застосувань конденсатів Бозе-Ейнштейна такі:

- Його використання разом з атомними лазерами для створення високоточних наноструктур.

- Виявлення напруженості гравітаційного поля.

- Виробляти більш точні та стабільні атомні годинники, ніж ті, які існують зараз.

- Маломасштабне моделювання для вивчення певних космологічних явищ.

- Застосування надлишковості та надпровідності.

- програми, отримані від явища, відомого як повільне або повільне світло; наприклад, в телепортації або в перспективній галузі квантових обчислень.

- Поглиблення знань з квантової механіки, проведення більш складних і нелінійних експериментів, а також перевірка певних нещодавно сформульованих теорій. Конденсати пропонують можливість відтворити явища, що виникають у світлі роки в лабораторіях.

Як видно, конденсати Бозе-Ейнштейна можна використовувати не тільки для розробки нових методик, а й для вдосконалення деяких технологій, які вже існують.

Не дарма вони пропонують велику точність та надійність, що можливо завдяки їх фазовій узгодженості в атомному полі, що сприяє великому контролю часу та відстаней.

Тому конденсати Бозе-Ейнштейна могли бути такими ж революційними, як і сам лазер колись, оскільки вони мають багато спільних властивостей. Однак велика проблема для цього полягає в температурі, при якій виробляються ці конденсати.

Таким чином, складність полягає як у тому, наскільки складним є їх отримання, так і в їх дорогому обслуговуванні. З усіх цих причин в даний час більшість зусиль в основному зосереджені на його застосуванні до базових досліджень.

Конденсати Бозе-Ейнштейна та квантова фізика

Демонстрація існування конденсатів Бозе-Ейнштейна запропонувала важливий новий інструмент для вивчення нових фізичних явищ у дуже різноманітних областях.

Немає сумнівів, що його узгодженість на макроскопічному рівні полегшує як вивчення, так і розуміння та демонстрацію законів квантової фізики.

Однак той факт, що для досягнення такого стану речовини необхідні температури, близькі до абсолютного нуля, є серйозним недоліком, щоб отримати більше користі від неймовірних властивостей.

Список літератури

1. Бозе - конденсат Ейнштейна (другий). У Вікіпедії. Отримано 6 квітня 2018 року з es.wikipedia.org.
2. Бозе - Ейнштейн конденсується. (й) У Вікіпедії. Отримано 6 квітня 2018 року з en.wikipedia.org.
3. Ерік Корнелл та Карл Війман (1998). Конденсати Бозе-Ейнштейна, "Дослідження та наука".
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Конденсат Бозе - Ейнштейн". Науковий американський.
5. Босон (другий). У Вікіпедії. Отримано 6 квітня 2018 року з es.wikipedia.org.
6. Босон (другий). У Вікіпедії. Отримано 6 квітня 2018 року з en.wikipedia.org.