BOSE-EINSTEIN-CONDENSAAT: EIGENSCHAPPEN EN TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2026

Het Bose-Einstein-condensaat is een toestand van materie die in bepaalde deeltjes voorkomt bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Lange tijd werd gedacht dat de enige drie mogelijke toestanden van aggregatie van materie vast, vloeibaar en gas waren.

Toen werd de vierde toestand ontdekt: die van plasma; en het Bose-Einstein-condensaat wordt als de vijfde staat beschouwd. De karakteristieke eigenschap is dat de deeltjes in het condensaat zich gedragen als een groot kwantumsysteem in plaats van zoals ze gewoonlijk doen (als een set van individuele kwantumsystemen of als een groep atomen).

Met andere woorden, er kan worden gezegd dat de hele reeks atomen waaruit het Bose-Einstein-condensaat bestaat, zich gedraagt ​​alsof het een enkel atoom is.

Oorsprong

Zoals veel van de meer recente wetenschappelijke ontdekkingen, werd het bestaan ​​van het condensaat theoretisch afgeleid voordat er empirisch bewijs was van het bestaan ​​ervan.

Het waren dus Albert Einstein en Satyendra Nath Bose die dit fenomeen theoretisch voorspelden in een gezamenlijke publicatie in de jaren 1920. Ze deden dit eerst voor het geval van fotonen en vervolgens voor het geval van hypothetische gasvormige atomen.

Het bewijs van hun werkelijke bestaan ​​was pas een paar decennia geleden mogelijk, toen een monster werd afgekoeld tot temperaturen die laag genoeg waren om te verifiëren dat wat de verwachte vergelijkingen waren waar was.

Satyendra Nath Bose

Het verkrijgen van

Het Bose-Einstein-condensaat werd in 1995 verkregen door Eric Cornell, Carlo Wieman en Wolfgang Ketterle, die dankzij dit product uiteindelijk de Nobelprijs voor natuurkunde van 2001 zouden delen.

Om het Bose-Einstein-condensaat te bereiken, namen ze hun toevlucht tot een reeks atoomfysische experimentele technieken, waarmee ze een temperatuur van 0,00000002 graden Kelvin boven het absolute nulpunt bereikten (een temperatuur die veel lager is dan de laagste temperatuur die in de ruimte wordt waargenomen). .

Eric Cornell en Carlo Weiman gebruikten deze technieken op een verdund gas dat uit rubidiumatomen bestond; Wolfgang Ketterle paste ze op zijn beurt kort daarna toe op natriumatomen.

Bosons

De naam boson wordt gebruikt ter ere van de in India geboren natuurkundige Satyendra Nath Bose. In de deeltjesfysica worden twee basistypen elementaire deeltjes beschouwd: bosonen en ferminionen.

Wat bepaalt of een deeltje een boson of een fermion is, is of de spin een geheel getal of een half geheel getal is. Uiteindelijk zijn bosonen de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van de krachten van interactie tussen fermionen.

Alleen bosonische deeltjes kunnen deze toestand van Bose-Einstein-condensaat hebben: als de deeltjes die worden gekoeld fermionen zijn, wordt wat wordt bereikt een Fermi-vloeistof genoemd.

Dit komt omdat bosonen, in tegenstelling tot fermionen, niet hoeven te voldoen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe, dat stelt dat twee identieke deeltjes niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand kunnen zijn.

Alle atomen zijn hetzelfde atoom

In een Bose-Einstein-condensaat zijn alle atomen absoluut hetzelfde. Op deze manier bevinden de meeste atomen in het condensaat zich op hetzelfde kwantumniveau, en dalen ze af naar het laagst mogelijke energieniveau.

Door dezelfde kwantumtoestand te delen en allemaal dezelfde (minimale) energie te hebben, zijn de atomen niet van elkaar te onderscheiden en gedragen ze zich als een enkel "superatoom".

Eigendommen

Het feit dat alle atomen identieke eigenschappen hebben veronderstelt een reeks van bepaalde theoretische eigenschappen: de atomen nemen hetzelfde volume in, ze verstrooien licht van dezelfde kleur en er ontstaat onder meer een homogeen medium.

Deze eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van de ideale laser, die een samenhangend licht uitzendt (ruimtelijk en tijdelijk), uniform, monochromatisch, waarin alle golven en fotonen absoluut gelijk zijn en in dezelfde richting bewegen, dus idealiter niet verdwijnen.

Toepassingen

De mogelijkheden die deze nieuwe toestand biedt, zijn talrijk, sommige werkelijk verbazingwekkend. Onder de huidige of in ontwikkeling zijn de meest interessante toepassingen van Bose-Einstein-condensaten de volgende:

- Het wordt gebruikt in combinatie met atoomlasers om nanostructuren met hoge precisie te creëren.

- Detectie van de intensiteit van het zwaartekrachtveld.

- Fabriceren van nauwkeurigere en stabielere atoomklokken dan de huidige.

- Kleinschalige simulaties voor de studie van bepaalde kosmologische verschijnselen.

- Toepassingen van superfluïditeit en supergeleiding.

- Toepassingen die zijn afgeleid van het fenomeen dat bekend staat als langzaam licht of langzaam licht; bijvoorbeeld bij teleportatie of op het veelbelovende gebied van quantum computing.

- Verdiepen van de kennis van de kwantummechanica, uitvoeren van meer complexe en niet-lineaire experimenten, evenals de verificatie van bepaalde recent geformuleerde theorieën. Condensaten bieden de mogelijkheid om verschijnselen na te bootsen die lichtjaren ver weg in laboratoria optreden.

Zoals te zien is, kunnen Bose-Einstein-condensaten niet alleen worden gebruikt om nieuwe technieken te ontwikkelen, maar ook om enkele reeds bestaande technieken te verfijnen.

Niet voor niets bieden ze een grote precisie en betrouwbaarheid, wat mogelijk is door hun fasecoherentie in het atomaire veld, wat een grote controle over tijd en afstanden mogelijk maakt.

Daarom kunnen Bose-Einstein-condensaten net zo revolutionair worden als de laser zelf ooit was, omdat ze veel eigenschappen gemeen hebben. Het grote probleem hiervoor ligt echter in de temperatuur waarbij deze condensaten worden geproduceerd.

De moeilijkheid ligt dus zowel in hoe ingewikkeld het is om ze te verkrijgen als in het kostbare onderhoud ervan. Om al deze redenen zijn de meeste inspanningen momenteel vooral gericht op de toepassing ervan op fundamenteel onderzoek.

Bose-Einstein-condensaten en kwantumfysica

De demonstratie van het bestaan ​​van Bose-Einstein-condensaten heeft een belangrijk nieuw hulpmiddel opgeleverd voor het bestuderen van nieuwe fysische verschijnselen in zeer diverse gebieden.

Het lijdt geen twijfel dat de samenhang ervan op macroscopisch niveau zowel de studie als het begrip en de demonstratie van de wetten van de kwantumfysica vergemakkelijkt.

Het feit dat temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt nodig zijn om deze toestand te bereiken, is echter een ernstig nadeel om meer uit zijn ongelooflijke eigenschappen te halen.

Referenties

1. Bose - Einstein-condensaat (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 6 april 2018, via es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein condenseren. (nd) In Wikipedia. Opgehaald op 6 april 2018, via en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell en Carl Wieman (1998). Bose-Einstein Condensates, "Research and Science."
4. A. Cornell en CE Wieman (1998). "Het Bose - Einstein-condensaat". Wetenschappelijke Amerikaan.
5. Boson (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 6 april 2018, via es.wikipedia.org.
6. Boson (zd). Op Wikipedia. Opgehaald op 6 april 2018, via en.wikipedia.org.