Bose–Einsteinin kondensaatti: määritelmä, ominaisuudet ja sovellukset
Bose–Einsteinin kondensaatti (BEC): selkeä määritelmä, tärkeimmät ominaisuudet ja käytännön sovellukset — suprajuoksevuus, nollaviskositeetti ja kvanttiteknologian mahdollisuudet.
Bose-Einsteinin kondensaatti (BEC) on se, mitä tapahtuu laimealle kaasulle, kun se jäähdytetään hyvin kylmäksi, lähelle absoluuttista nollaa (0 K, joka vastaa -273 °C tai -459,67 °F). Se muodostuu, kun sen muodostavien hiukkasten energia on hyvin pieni. Vain bosonit voivat muodostaa Bose-Einsteinin kondensaatin. Kaasun tiheys on erittäin pieni, noin sadantuhannesosa tavallisen ilman tiheydestä.
Bose-Einsteinin kondensaatti on olomuodon muutos. Kun aine on BEC-tilassa, sen viskositeetti on nolla. Suprajuoksevuus ja suprajohtavuus liittyvät molemmat läheisesti aineen BEC-tilaan.
Mikä BEC käytännössä on
Bose–Einsteinin kondensaatti on kvanttimekaaninen tila, jossa suuri joukko bosoneja asettuu atomien tai hiukkasten energian matalimpaan (perus)tilaan. Tällöin hiukkasten aallonfunktiot menevät päällekkäin ja järjestelmä käyttäytyy yhtenä makroskooppisena kvanttiobjektina. Tämä johtaa ilmiöihin, joita ei esiinny klassisissa kaasutiloissa, kuten pitkäkestoinen koherentti aaltofunktio ja mahdollisuus havaita kvanttimekaniikan ilmiöitä suoraan makroskooppisessa mittakaavassa.
Lyhyt historiikki
- Ajatus: Bose ja Einstein ennustivat teoreettisesti tämän tilan 1920-luvulla käyttäen tilastollista mekaniikkaa bosoneille.
- Kokeellinen toteutus: Ensimmäinen BEC toteutettiin laboratoriossa 1995 Eric Cornellin ja Carl Wiemanin (rubidium-87) sekä myöhemmin Wolfgang Ketterlen kanssa (sodium) ja tästä työstä heille myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2001.
Kuinka BEC saadaan aikaan
Tyypillinen menetelmä sisältää useita vaiheita, joilla atomeista saadaan tarpeeksi kylmiä ja laimeita:
- Laserjäähdytys: Atomit hidastetaan ja jäähdytetään valon avulla (Doppler- ja sideband-tekniikat)
- Magneto-optinen ansa ja siirtokentät: Atomit pidetään paikallaan ja tiheytetään ansaan
- Haihdutusjäähdytys: Korkeimman energian atomit päästetään pois ansasta, jolloin jäljelle jäävä otos jäähtyy edelleen
- Magnetiset tai optiset ansat: Loppuvaiheen tarkka kontrolli, jossa muodostuu kondensaatti
Kriittinen lämpötila, jolloin kondensaatti muodostuu, riippuu hiukkasten massasta ja tiheydestä; kokeissa käytetyt lämpötilat ovat tyypillisesti nano- tai mikrokelvin-luokkaa.
Ominaisuuksia ja ilmiöitä
- Makroskooppinen kvanttikohoste: Kondensaatin aallonfunktio voi olla koherentti koko näytteen laajuudelta.
- Suprajuoksevuus ja nollaviskositeetti: BEC voi virrata ilman kitkaa tietyissä olosuhteissa, mikä liittyy suprajuoksevuuteen.
- Vorteksit ja kvantittuminen: Pyörteet BEC:ssä ovat kvantittuneita ja näkyvät selkeinä virtausilmiöinä kokeissa.
- Interferenssi: Kahden kondensaatin tuottama interferenssikuvio osoittaa niiden kvanttikoherenssin.
- Herkkyys vuorovaikutuksille: Vaikka BEC:t ovat erittäin laimeita, pieni vuorovaikutus atomien välillä muokkaa kondensaattia ja synnyttää monimutkaista monikehysdynamiikkaa.
Mitkä hiukkaset voivat muodostaa BEC:n?
Vain bosonit (kokonaisluvun spini) voivat makroskooppisesti paikantua samaan kvanttitilaan. Tavallisissa kokeissa käytetään atomeja, jotka käyttäytyvät bosoneina, esimerkiksi rubidium-87, natrium-23 ja litium-7. Fermionit (puoliluvun spin) eivät kondensoitu samalla tavalla, mutta kaksiosaiset fermionit voivat muodostaa parittumalla bosonisia pareja ja käyttäytyä BEC:n kaltaisesti (esim. fermionien superfluiditeetti).
Sovellukset ja tutkimuskohteet
- Perustutkimus: BEC on tärkeä väline moni-kehon kvanttikenttäteorian ja ei-klassisten tilojen tutkimiseen.
- Atomilaserit ja kohdistetut aaltopaketit: Koherentteja atomivirtoja voidaan käyttää uusissa atomipohjaisissa laitteissa.
- Tarkkuusmittaukset ja interferometria: BEC:t mahdollistavat erittäin herkät kiihtyvyys- ja rotaatiomittaustekniikat.
- Kvanttisimulaatiot: Kokeelliset BEC-järjestelmät toimivat mallina monimutkaisille kvanttimateriaaleille ja topologisille ilmiöille.
Haasteet ja rajoitukset
Vaikka BEC on erittäin mielenkiintoinen tila, sen muodostaminen ja säilyttäminen vaatii monimutkaista laitteistoa ja erikoistekniikoita (esimerkiksi erittäin hyvä tyhjiö ja tarkka lämpötilansäätö). Kondensaatit ovat myös hyvin laimeita ja niillä on rajallinen elinikä kokeellisissa olosuhteissa. Lisäksi vuorovaikutusten säätely ja hajautumisen vaikutukset rajoittavat joidenkin sovellusten käytännöllisyyttä.
Yhteenveto
Bose–Einsteinin kondensaatti on kvanttimekaniikan mukaisesti käyttäytyvä aineen tila, jossa bosonit asettuvat makroskooppisesti samaan perusenergisetilaan. Se tarjoaa ainutlaatuisen ikkunan kvanttimaailman ilmiöihin makroskooppisessa mittakaavassa ja sillä on lukuisia sovelluksia perustutkimuksesta teknisiin mittausmenetelmiin. Kokeelliset saavutukset 1990-luvulta lähtien ovat muuttaneet BEC:n tutkimuksen aktiiviseksi ja nopeasti kehittyväksi alaksi.
Teoria
Hiukkasilla on energiaa. Niillä voi olla paljon energiaa ja ne voivat pomppia villisti kuten kaasuissa, niillä voi olla vähemmän energiaa ja ne voivat virrata kuten nesteet tai niillä voi olla vielä vähemmän energiaa kuten kiinteät aineet. Jos hiukkaselta otetaan tarpeeksi energiaa pois, päästään pienimpään mahdolliseen energiamäärään tai pienimpään mahdolliseen energiamäärään. Tämä on Bose-Einsteinin kondensaatti. Tämä tekee kaikista hiukkasista täsmälleen samanlaisia, ja sen sijaan, että ne pomppisivat satunnaisesti eri suuntiin, ne pomppivat kaikki ylös ja alas täsmälleen samalla tavalla muodostaen jotain, jota kutsutaan "jättimäiseksi aineaalloksi".
Historia
Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein ehdottivat Bose-Einsteinin kondensaattia ensimmäisen kerran vuosina 1924-25. Seitsemänkymmentä vuotta myöhemmin sen olemassaolo todistettiin. Eric Cornell ja Carl Wieman tekivät ensimmäisen Bose-Einsteinin kondensaatin vuonna 1995 Coloradon yliopistossa. Cornellille, Wiemanille ja MIT:n Wolfgang Ketterlelle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 2001.
Kokeet
Yleensä bosonin saamiseksi tarpeeksi kylmäksi Bose-Einstein-kondensaatin aikaansaamiseksi on ensin vangittava bosoni magneettien avulla ja sen jälkeen otettava kaikki energia pois lasereiden avulla (laserjäähdytys). Näin ei vieläkään saada asioita tarpeeksi kylmiksi. Osa hiukkasista pomppii edelleen paljon, ja vain osa makaa mukavasti. Magneettikenttää lasketaan sitten hitaasti vähitellen, jotta nopeammin pomppivat hiukkaset pääsevät ulos. Näin sisälle jäävät vain kylmimmät ja hitaimmat atomit.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Bose-Einsteinin kondensaatti?
A: Bose-Einsteinin kondensaatti on aineen tila, joka syntyy, kun laimeasta kaasusta tehdään äärimmäisen kylmä, lähellä absoluuttista nollaa, ja sen muodostavien hiukkasten energia on hyvin pieni. Vain bosonit voivat muodostaa Bose-Einsteinin kondensaatin.
Kysymys: Missä lämpötilassa Bose-Einsteinin kondensaatti muodostuu?
V: Bose-Einsteinin kondensaatti muodostuu, kun laimea kaasu jäähdytetään hyvin kylmäksi, lähelle absoluuttista nollaa, joka on -273,15 °C eli -459,67 °F.
K: Millaiset hiukkaset voivat muodostaa Bose-Einsteinin kondensaatin?
V: Vain bosonit voivat muodostaa Bose-Einsteinin kondensaatin.
K: Mikä on Bose-Einsteinin kondensaatin tiheys?
V: Bose-Einsteinin kondensaatin tiheys on noin sadantuhannesosa tavallisen ilman tiheydestä.
K: Onko Bose-Einsteinin kondensaatti olomuodon muutos?
V: Kyllä, Bose-Einsteinin kondensaatti on olomuodon muutos.
K: Mikä on aineen viskositeetti BEC-tilassa?
V: Kun aine on BEC-tilassa, sen viskositeetti on nolla.
K: Mikä yhteys on suprajuoksevuuden, suprajohtavuuden ja aineen BEC-tilan välillä?
V: Suprajuoksevuus ja suprajohtavuus liittyvät molemmat läheisesti aineen BEC-tilaan.
Etsiä