BOSE-EINSTEIN-KONDENSAT: EIGENSCHAFTEN UND ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Das 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 Aggregationszustände von Materie fest, flüssig und gasförmig sind.

Dann wurde der vierte Zustand entdeckt: der des Plasmas; und das Bose-Einstein-Kondensat wird als fünfter Zustand angesehen. Die charakteristische Eigenschaft ist, dass sich die Teilchen im Kondensat eher wie ein großes Quantensystem verhalten als wie gewöhnlich (als Satz einzelner Quantensysteme oder als Gruppierung von Atomen).

Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass sich der gesamte Satz von Atomen, aus denen das Bose-Einstein-Kondensat besteht, so verhält, als wäre es ein einzelnes Atom.

Ursprung

Wie bei vielen neueren wissenschaftlichen Entdeckungen wurde die Existenz des Kondensats theoretisch abgeleitet, bevor empirische Beweise für seine Existenz vorlagen.

So waren es Albert Einstein und Satyendra Nath Bose, die dieses Phänomen in einer gemeinsamen Veröffentlichung in den 1920er Jahren theoretisch vorhersagten. Sie taten dies zuerst für Photonen und dann für hypothetische gasförmige Atome.

Der Nachweis ihrer tatsächlichen Existenz war erst vor einigen Jahrzehnten möglich, als eine Probe auf Temperaturen abgekühlt wurde, die niedrig genug waren, um zu überprüfen, ob die erwarteten Gleichungen wahr waren.

Satyendra Nath Bose

Erhalten

Das Bose-Einstein-Kondensat wurde 1995 von Eric Cornell, Carlo Wieman und Wolfgang Ketterle erhalten, die dank dessen den Nobelpreis für Physik 2001 erhalten würden.

Um das Kondensat zu erhalten, griff Bose-Einstein auf eine Reihe von experimentellen Techniken der Atomphysik zurück, mit denen es gelang, eine Temperatur von 0,00000002 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt zu erreichen (eine Temperatur, die viel niedriger ist als die niedrigste im Weltraum beobachtete Temperatur). .

Eric Cornell und Carlo Weiman verwendeten diese Techniken bei einem verdünnten Gas aus Rubidiumatomen. Wolfgang Ketterle seinerseits wendete sie kurz darauf auf Natriumatome an.

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 eine 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 Bosonische Partikel können diesen Zustand des Bose-Einstein-Kondensats aufweisen: Wenn die gekühlten Partikel Fermionen sind, wird das, was erreicht wird, als Fermi-Flüssigkeit bezeichnet.

Dies liegt daran, dass Bosonen im Gegensatz zu Fermionen nicht das Pauli-Ausschlussprinzip erfüllen 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 Atome im Kondensat auf demselben Quantenniveau und fallen auf das niedrigstmögliche Energieniveau ab.

Indem sie denselben Quantenzustand teilen und alle dieselbe (minimale) Energie haben, sind die Atome nicht zu unterscheiden und verhalten sich wie ein einzelnes „Superatom“.

Eigenschaften

Die Tatsache, dass alle Atome identische Eigenschaften haben, setzt eine Reihe bestimmter theoretischer Eigenschaften voraus: Die Atome nehmen das gleiche Volumen ein, streuen Licht der gleichen Farbe und bilden unter anderem ein homogenes Medium.

Diese Eigenschaften ähneln denen des idealen Lasers, der ein kohärentes Licht (räumlich und zeitlich) emittiert, gleichmäßig und monochromatisch, in 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 Zustand der Materie bietet, sind vielfältig, einige wirklich erstaunlich. Die derzeit interessantesten oder in der Entwicklung befindlichen Anwendungen von Bose-Einstein-Kondensaten sind die folgenden:

- Verwendung zusammen mit Atomlasern zur Erzeugung hochpräziser Nanostrukturen.

- Erfassung der Intensität des Gravitationsfeldes.

- Stellen Sie präzisere und stabilere Atomuhren her als die derzeit existierenden.

- Kleine Simulationen zur Untersuchung bestimmter kosmologischer Phänomene.

- Anwendungen von Superfluidität und Supraleitung.

- Anwendungen, die von dem als langsames Licht oder langsames Licht bekannten Phänomen abgeleitet sind; Zum Beispiel in der Teleportation oder im vielversprechenden Bereich des Quantencomputers.

- Vertiefung der Kenntnisse der Quantenmechanik, Durchführung komplexerer und nichtlinearer Experimente sowie Überprüfung einiger kürzlich formulierter Theorien. Kondensate bieten die Möglichkeit, Phänomene nachzubilden, die in Lichtjahren Entfernung in Laboratorien auftreten.

Wie zu sehen ist, können Bose-Einstein-Kondensate nicht nur zur Entwicklung neuer Techniken verwendet werden, sondern auch zur Verfeinerung einiger bereits existierender Techniken.

Nicht umsonst bieten sie eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit, was aufgrund ihrer Phasenkohärenz im Atomfeld möglich ist, was eine gute Kontrolle über Zeit und Entfernungen ermöglicht.

Daher könnten Bose-Einstein-Kondensate genauso revolutionär sein wie der Laser selbst, da sie viele Eigenschaften gemeinsam haben. Das große Problem hierfür liegt jedoch in der Temperatur, bei der diese Kondensate erzeugt werden.

Die Schwierigkeit liegt also sowohl darin, wie kompliziert es ist, sie zu erhalten, als auch in ihrer kostspieligen Wartung. Aus all diesen Gründen konzentrieren sich die meisten Bemühungen derzeit hauptsächlich auf die Anwendung auf die Grundlagenforschung.

Bose-Einstein-Kondensate und Quantenphysik

Der Nachweis der Existenz von Bose-Einstein-Kondensaten bietet ein wichtiges neues 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 Materiezustand zu erreichen, ist jedoch ein schwerwiegender Nachteil, um mehr aus seinen unglaublichen Eigenschaften herauszuholen.

Verweise

1. Bose-Einstein-Kondensat (nd). Auf Wikipedia. Abgerufen am 6. April 2018 von es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein kondensieren. (nd) In Wikipedia. Abgerufen am 6. April 2018 von en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell und Carl Wieman (1998). Bose-Einstein-Kondensate, "Forschung und Wissenschaft".
4. A. Cornell & amp; CE Wieman (1998). "Das Bose-Einstein-Kondensat". Wissenschaftlicher Amerikaner.
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