Kondensat von Bose-Einstein: Herkunft, Eigenschaften und Anwendungen
Bose-Einstein-Kondensat ist ein Materiezustand, der in bestimmten Partikeln bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftritt. Lange Zeit wurde angenommen, dass die einzigen drei möglichen Aggregatzustände der Materie fest, flüssig und gasförmig sind.
Dann wurde der vierte Zustand entdeckt: Plasma; und das Bose-Einstein-Kondensat wird als fünfter Zustand angesehen. Die charakteristische Eigenschaft ist, dass sich die Kondensatpartikel eher als ein großes Quantensystem verhalten als wie gewöhnlich (als eine Menge einzelner Quantensysteme oder als eine Gruppierung von Atomen).
Mit anderen Worten, man kann sagen, dass sich die gesamte Gruppe der Atome, aus denen das Bose-Einstein-Kondensat besteht, so verhält, als wäre es ein einzelnes Atom.
Herkunft
Wie bei vielen neueren wissenschaftlichen Entdeckungen wurde die Existenz des Kondensats theoretisch abgeleitet, bevor empirische Beweise für seine Existenz vorlagen.
So war es Albert Einstein und Satyendra Nath Bose, die dieses Phänomen in einer gemeinsamen Veröffentlichung in den 1920er Jahren theoretisch vorhersagten, zunächst für den Fall der Photonen und dann für den Fall der hypothetischen Gasatome.
Der Nachweis seiner tatsächlichen Existenz war erst vor einigen Jahrzehnten möglich gewesen, als es möglich war, eine Probe auf Temperaturen abzukühlen, die niedrig genug waren, um zu beweisen, dass die erwarteten Gleichungen zutrafen.
Erhalten
Das Bose-Einstein-Kondensat wurde 1995 von Eric Cornell, Carlo Wieman und Wolfgang Ketterle gewonnen, die sich dank dessen den Nobelpreis für Physik 2001 teilen würden.
Um das Bose-Einstein-Kondensat zu erhalten, verwendeten sie eine Reihe von experimentellen Techniken in der Atomphysik, mit denen sie es schafften, eine Temperatur von 0, 00000002 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt zu erreichen (Temperatur viel niedriger als die niedrigste im Weltraum beobachtete Temperatur). .
Eric Cornell und Carlo Weiman verwendeten diese Techniken in einem verdünnten Gas aus Rubidiumatomen. Wolfgang Ketterle seinerseits applizierte sie kurz darauf an Natriumatomen.
Die Bosonen
Der Name Boson wird zu Ehren des in Indien geborenen Physikers Satyendra Nath Bose verwendet. In der Teilchenphysik werden zwei Grundtypen von Elementarteilchen betrachtet: Bosonen und Ferminionen.
Was bestimmt, ob ein Teilchen ein Boson oder ein Fermion ist, ist, ob sein Spin eine ganze oder eine halbe ganze Zahl ist. Letztendlich sind Bosonen die Teilchen, die für die Übertragung der Wechselwirkungskräfte zwischen Fermionen verantwortlich sind.
Nur die bosonischen Partikel können diesen Zustand von Bose-Einstein-Kondensat aufweisen: Wenn die gekühlten Partikel Fermionen sind, wird das, was erreicht wird, eine Fermiflüssigkeit genannt.
Dies liegt daran, dass Bosonen im Gegensatz zu Fermionen nicht dem Ausschlussprinzip von Pauli entsprechen müssen, das besagt, dass zwei identische Teilchen nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand sein können.
Alle Atome sind das gleiche Atom
In einem Bose-Einstein-Kondensat sind alle Atome absolut gleich. Auf diese Weise befinden sich die meisten kondensierten Atome auf demselben Quantenniveau und fallen auf das niedrigstmögliche Energieniveau ab.
Indem sie denselben Quantenzustand teilen und dieselbe (minimale) Energie haben, sind die Atome nicht zu unterscheiden und verhalten sich wie ein einziges "Superatom".
Eigenschaften
Die Tatsache, dass alle Atome identische Eigenschaften aufweisen, setzt eine Reihe von bestimmten theoretischen Eigenschaften voraus: Die Atome nehmen dasselbe Volumen ein, streuen Licht der gleichen Farbe und bilden unter anderem ein homogenes Medium.
Diese Eigenschaften ähneln denen des idealen Lasers, der ein kohärentes (räumlich und zeitlich), gleichmäßiges, monochromatisches Licht aussendet, bei dem alle Wellen und Photonen absolut gleich sind und sich in die gleiche Richtung bewegen, also idealerweise nicht zerstreuen
Anwendungen
Die Möglichkeiten, die dieser neue Sachverhalt bietet, sind vielfältig, manche wirklich erstaunlich. Die derzeit oder in der Entwicklung befindlichen interessantesten Anwendungen von Bose-Einstein-Kondensaten sind die folgenden:
- Zusammen mit Atomlasern werden hochpräzise Nanostrukturen erzeugt.
- Erfassung der Intensität des Gravitationsfeldes.
- Herstellung von Atomuhren genauer und stabiler als die, die derzeit existieren.
- Simulationen im kleinen Maßstab zur Untersuchung bestimmter kosmologischer Phänomene.
- Anwendungen von Superfluidität und Supraleitung.
- Anwendungen, die sich aus dem Phänomen des langsamen Lichts oder des langsamen Lichts ergeben; Zum Beispiel in der Teleportation oder im vielversprechenden Bereich des Quantencomputers.
- Vertiefung der Kenntnisse der Quantenmechanik, Durchführung komplexerer und nichtlinearer Experimente sowie Verifizierung bestimmter kürzlich formulierter Theorien. Die Kondensate bieten die Möglichkeit, in den Labors Phänomene nachzubilden, die Lichtjahren passieren.
Wie zu sehen ist, können die Bose-Einstein-Kondensate nicht nur zur Entwicklung neuer Techniken verwendet werden, sondern auch zur Verfeinerung einiger bereits existierender Techniken.
Nicht umsonst bieten sie eine große Präzision und Zuverlässigkeit, die aufgrund ihrer Phasenkohärenz im atomaren Feld möglich ist, was eine große Kontrolle über Zeit und Entfernungen ermöglicht.
Daher könnten die Bose-Einstein-Kondensate so revolutionär werden wie der Laser selbst, da sie viele Eigenschaften gemeinsam haben. Das große Problem dabei liegt jedoch in der Temperatur, bei der diese Kondensate anfallen.
Die Schwierigkeit liegt also sowohl in der Schwierigkeit, sie zu beschaffen, als auch in ihrer kostspieligen Wartung. Aus all diesen Gründen konzentrieren sich die meisten Bemühungen derzeit hauptsächlich auf ihre Anwendung auf die Grundlagenforschung.
Kondensierte Bose-Einstein- und Quantenphysik
Der Nachweis der Existenz von Bose-Einstein-Kondensaten bietet ein neues und wichtiges Instrument zur Untersuchung neuer physikalischer Phänomene in sehr unterschiedlichen Bereichen.
Es besteht kein Zweifel, dass seine Kohärenz auf makroskopischer Ebene sowohl das Studium als auch das Verständnis und die Demonstration der Gesetze der Quantenphysik erleichtert.
Die Tatsache, dass Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich sind, um diesen Zustand der Materie zu erreichen, ist jedoch ein schwerwiegender Nachteil, um das Beste aus seinen unglaublichen Eigenschaften herauszuholen.
