CHẤT NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN: ĐẶC TÍNH VÀ ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein là một trạng thái vật chất xảy ra ở một số hạt nhất định ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối. Trong một thời gian dài, người ta cho rằng ba trạng thái tập hợp duy nhất của vật chất là rắn, lỏng và khí.

Sau đó, trạng thái thứ tư được phát hiện: đó là plasma; và ngưng tụ Bose-Einstein được coi là trạng thái thứ năm. Tính chất đặc trưng là các hạt trong chất ngưng tụ hoạt động như một hệ lượng tử lớn hơn là như chúng thường làm (như một tập hợp các hệ lượng tử riêng lẻ hoặc như một nhóm các nguyên tử).

Nói cách khác, có thể nói rằng toàn bộ tập hợp các nguyên tử tạo nên chất ngưng tụ Bose-Einstein hoạt động như thể nó là một nguyên tử.

Gốc

Giống như nhiều khám phá khoa học gần đây, sự tồn tại của chất ngưng tụ được suy luận về mặt lý thuyết trước khi có bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại của nó.

Do đó, chính Albert Einstein và Satyendra Nath Bose đã dự đoán về mặt lý thuyết hiện tượng này trong một ấn phẩm chung vào những năm 1920. Họ đã làm như vậy trước tiên đối với trường hợp của các photon và sau đó là đối với trường hợp của các nguyên tử khí giả định.

Việc chứng minh sự tồn tại thực sự của chúng đã không thể thực hiện được cho đến vài thập kỷ trước, khi một mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ đủ thấp để xác minh rằng những gì các phương trình dự đoán là đúng.

Satyendra Nath Bose

Thu được

Chất ngưng tụ Bose-Einstein được Eric Cornell, Carlo Wieman và Wolfgang Ketterle thu được vào năm 1995, những người nhờ nó mà cuối cùng đã chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 2001.

Để đạt được chất ngưng tụ Bose-Einstein, họ đã sử dụng một loạt các kỹ thuật thực nghiệm vật lý nguyên tử, trong đó họ cố gắng đạt được nhiệt độ 0,00000002 độ Kelvin trên độ không tuyệt đối (nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ thấp nhất quan sát được trong không gian vũ trụ). .

Eric Cornell và Carlo Weiman đã sử dụng các kỹ thuật này trên một chất khí loãng tạo thành từ các nguyên tử rubidi; Về phần mình, Wolfgang Ketterle đã áp dụng chúng ngay sau đó trên các nguyên tử natri.

Bosons

Tên boson được sử dụng để vinh danh nhà vật lý người Ấn Độ Satyendra Nath Bose. Hai loại hạt cơ bản cơ bản được xem xét trong vật lý hạt: boson và fermion.

Điều xác định một hạt là boson hay fermion là spin của nó là số nguyên hay nửa số nguyên. Cuối cùng, boson là những hạt chịu trách nhiệm truyền lực tương tác giữa các fermion.

Chỉ các hạt bosonic mới có thể có trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein này: nếu các hạt được làm lạnh là các fermion, thì những gì đạt được được gọi là chất lỏng Fermi.

Điều này là như vậy bởi vì boson, không giống như fermion, không phải đáp ứng nguyên lý loại trừ Pauli, nguyên lý nói rằng hai hạt giống hệt nhau không thể ở cùng một trạng thái lượng tử tại cùng một thời điểm.

Tất cả các nguyên tử là cùng một nguyên tử

Trong một thiết bị ngưng tụ Bose-Einstein, tất cả các nguyên tử đều hoàn toàn giống nhau. Theo cách này, hầu hết các nguyên tử trong chất ngưng tụ đều ở cùng một mức lượng tử, giảm dần đến mức năng lượng thấp nhất có thể.

Bằng cách chia sẻ cùng trạng thái lượng tử này và tất cả đều có cùng năng lượng (tối thiểu), các nguyên tử không thể phân biệt được và hoạt động như một “siêu nguyên tử” duy nhất.

Tính chất

Thực tế là tất cả các nguyên tử có các tính chất giống hệt nhau giả sử một loạt các tính chất lý thuyết nhất định: các nguyên tử chiếm cùng một thể tích, chúng tán xạ ánh sáng cùng màu và một môi trường đồng nhất được hình thành, trong số các đặc điểm khác.

Những tính chất này tương tự như của laze lý tưởng, phát ra ánh sáng kết hợp (theo không gian và thời gian), đồng nhất, đơn sắc, trong đó tất cả các sóng và photon là hoàn toàn bằng nhau và chuyển động theo cùng một hướng, do đó, về mặt lý tưởng là không tiêu tan.

Các ứng dụng

Những khả năng được cung cấp bởi trạng thái vật chất mới này là rất nhiều, một số thực sự đáng kinh ngạc. Trong số các ứng dụng hiện tại hoặc đang được phát triển, các ứng dụng thú vị nhất của chất ngưng tụ Bose-Einstein là:

- Việc sử dụng nó cùng với laser nguyên tử để tạo ra các cấu trúc nano có độ chính xác cao.

- Phát hiện cường độ của trường hấp dẫn.

- Chế tạo đồng hồ nguyên tử chính xác và ổn định hơn so với đồng hồ hiện đang tồn tại.

- Mô phỏng quy mô nhỏ để nghiên cứu các hiện tượng vũ trụ nhất định.

- Các ứng dụng của tính siêu lỏng và siêu dẫn.

- Các ứng dụng bắt nguồn từ hiện tượng được gọi là ánh sáng chậm hoặc ánh sáng chậm; ví dụ, trong dịch chuyển tức thời hoặc trong lĩnh vực máy tính lượng tử đầy hứa hẹn.

- Nâng cao kiến ​​thức về cơ học lượng tử, thực hiện các thí nghiệm phi tuyến tính và phức tạp hơn, cũng như xác minh một số lý thuyết được xây dựng gần đây. Chất ngưng tụ có khả năng tái tạo các hiện tượng xảy ra cách đó hàng năm ánh sáng trong các phòng thí nghiệm.

Có thể thấy, chất ngưng tụ Bose-Einstein không chỉ có thể được sử dụng để phát triển các kỹ thuật mới mà còn để tinh chỉnh một số kỹ thuật đã tồn tại.

Không phải vô ích mà chúng cung cấp độ chính xác và độ tin cậy cao, điều này có thể xảy ra do sự kết hợp pha của chúng trong trường nguyên tử, tạo điều kiện cho việc kiểm soát thời gian và khoảng cách tuyệt vời.

Do đó, chất ngưng tụ Bose-Einstein có thể mang tính cách mạng như chính tia laser đã từng xuất hiện, vì chúng có nhiều đặc tính chung. Tuy nhiên, vấn đề lớn để điều này xảy ra nằm ở nhiệt độ mà các chất ngưng tụ này được tạo ra.

Do đó, khó khăn nằm ở chỗ việc lấy chúng phức tạp như thế nào và việc bảo trì tốn kém của chúng. Vì tất cả những lý do này, hiện nay hầu hết các nỗ lực chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng nó vào nghiên cứu cơ bản.

Bose-Einstein ngưng tụ và vật lý lượng tử

Việc chứng minh sự tồn tại của chất ngưng tụ Bose-Einstein đã cung cấp một công cụ mới quan trọng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý mới trong các lĩnh vực rất đa dạng.

Không còn nghi ngờ gì nữa, tính liên kết của nó ở cấp độ vĩ mô tạo điều kiện thuận lợi cho cả việc nghiên cứu, hiểu và chứng minh các định luật vật lý lượng tử.

Tuy nhiên, thực tế là nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối là cần thiết để đạt được trạng thái vật chất này là một nhược điểm nghiêm trọng để khai thác nhiều hơn các đặc tính đáng kinh ngạc của nó.

Người giới thiệu

1. Bose - Einstein ngưng tụ (nd). Trên Wikipedia. Được lấy vào ngày 6 tháng 4 năm 2018, từ es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein cô đọng. (nd) Trong Wikipedia. Truy cập ngày 6 tháng 4 năm 2018, từ en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell và Carl Wieman (1998). Bose-Einstein Condensates, "Nghiên cứu và Khoa học."
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). "Chất ngưng tụ Bose - Einstein". Người Mỹ khoa học.
5. Boson (nd). Trên Wikipedia. Được lấy vào ngày 6 tháng 4 năm 2018, từ es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). Trên Wikipedia. Truy cập ngày 6 tháng 4 năm 2018, từ en.wikipedia.org.