Bose-Einstein condensaat (BEC) , een toestand van materie waarin afzonderlijke atomen of subatomaire deeltjes , afgekoeld tot bijna absolute nulpunt (0 NAAR , − 273,15 °C of − 459,67 °F; K = kelvin), samensmelten tot een enkele kwantummechanische entiteit - dat wil zeggen een die kan worden beschreven door een golffunctie - op een bijna macroscopische schaal. Deze vorm van materie werd in 1924 voorspeld door Albert Einstein op basis van de quantum formuleringen van de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose.
Hoewel het al tientallen jaren was voorspeld, werd de eerste atomaire BEC pas in 1995 gemaakt, toen Eric Cornell en Carl Wieman van JILA, een onderzoeksinstelling die gezamenlijk wordt beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado in Boulder , koelde een gas van rubidiumatomen af tot 1,7 × 10−7K boven het absolute nulpunt. Samen met Wolfgang Ketterle van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die een BEC heeft gemaakt met natrium atomen, ontvingen deze onderzoekers in 2001 de Nobelprijs voor de natuurkunde. Onderzoek naar BEC's heeft het begrip van kwantum uitgebreid fysica en heeft geleid tot de ontdekking van nieuwe fysieke effecten.
De BEC-theorie gaat terug tot 1924, toen Bose naging hoe groepen fotonen zich gedragen. Fotonen behoren tot een van de twee grote klassen van elementaire of submicroscopische deeltjes, gedefinieerd door of hun kwantumspin een niet-negatieve geheel getal (0, 1, 2, …) of een oneven half geheel getal (1/2, 3/2, …). Het eerste type, genaamd bosonen, omvat fotonen, waarvan de spin gelijk is aan 1. Het laatste type, genaamd fermionen, omvat elektronen, waarvan de spin 1/2 is.
Zoals Bose opmerkte, gedragen de twee klassen zich anders ( zien Bose-Einstein en Fermi-Dirac statistieken). Volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe hebben fermionen de neiging elkaar te vermijden, waardoor elk elektron in een groep een afzonderlijke kwantumtoestand inneemt (aangegeven door verschillende kwantumgetallen, zoals de energie van het elektron). Daarentegen kan een onbeperkt aantal bosonen dezelfde energietoestand hebben en een enkele kwantumtoestand delen.
Einstein breidde al snel het werk van Bose uit om aan te tonen dat bij extreem lage temperaturen bosonische atomen met even spins zouden samensmelten tot een gedeelde kwantumtoestand bij de laagst beschikbare energie. De vereiste methoden om temperaturen te produceren die laag genoeg zijn om de voorspelling van Einstein te testen, werden echter pas in de jaren negentig haalbaar. Een van de doorbraken hing af van de nieuwe techniek van laserkoeling en -trapping, waarbij de stralingsdruk van een laserstraal afkoelt en atomen lokaliseert door ze te vertragen. (Voor dit werk deelden de Franse natuurkundige Claude Cohen-Tannoudji en de Amerikaanse natuurkundigen Steven Chu en William D. Phillips de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1997.) De tweede doorbraak hing af van verbeteringen in magnetische opsluiting om de atomen op hun plaats te houden zonder materiaal container. Met behulp van deze technieken slaagden Cornell en Wieman erin om ongeveer 2.000 individuele atomen samen te smelten tot een superatoom, een condensaat dat groot genoeg is om met een microscoop waar te nemen, dat duidelijke kwantumeigenschappen vertoonde. Zoals Wieman de prestatie beschreef, brachten we het op een bijna menselijke schaal. We kunnen erin porren en erin porren en naar dit spul kijken op een manier die niemand eerder heeft kunnen doen.
BEC's zijn gerelateerd aan twee opmerkelijke fenomenen bij lage temperaturen: superfluïditeit, waarbij elk van de heliumisotopen3hij en ik4Hij vormt een vloeistof die stroomt met nul wrijving ; en supergeleiding, waarbij elektronen door een materiaal bewegen met nul elektrische weerstand .4Hij atomen zijn bosonen, en hoewel3De atomen en elektronen zijn fermionen, ze kunnen ook Bose . ondergaan condensatie als ze paren met tegenovergestelde spins om bosonachtige toestanden te vormen zonder netto spin. In 2003 gebruikten Deborah Jin en haar collega's bij JILA gepaarde fermionen om het eerste atomaire fermionische condensaat te maken.
BEC-onderzoek heeft nieuwe atoom- en optische fysica opgeleverd, zoals de atoomlaser Ketterle die in 1996 werd gedemonstreerd. Een conventionele lichtlaser zendt een bundel van samenhangend fotonen; ze zijn allemaal precies binnen fase en kan worden scherpgesteld op een extreem kleine, heldere plek. Evenzo produceert een atoomlaser een coherente bundel atomen die met hoge intensiteit kan worden gefocusseerd. Mogelijke toepassingen zijn onder meer nauwkeurigere atoomklokken en verbeterd technieken om elektronische chips te maken, of geïntegreerde schakelingen .
De meest intrigerende eigenschap van BEC's is dat ze licht kunnen vertragen. In 1998 vertraagden Lene Hau van Harvard University en haar collega's het licht dat door een BEC reisde vanaf zijn snelheid in vacuüm van 3 × 108meter per seconde tot slechts 17 meter per seconde, of ongeveer 38 mijl per uur. Sindsdien hebben Hau en anderen een lichtpuls volledig stopgezet en opgeslagen in een BEC, om het licht later onveranderd vrij te geven of naar een tweede BEC te sturen. Deze manipulaties zijn veelbelovend voor nieuwe soorten op licht gebaseerde telecommunicatie , Optische opslag van gegevens en kwantumcomputing, hoewel de lage-temperatuurvereisten van BEC's praktische problemen bieden.
Copyright © Alle Rechten Voorbehouden | asayamind.com