Von den fünf Zuständen, in denen Materie sein kann, ist das Bose-Einstein-Kondensat vielleicht das mysteriöseste. Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe und Plasmen wurden alle Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte lang gut untersucht; Bose-Einstein-Kondensate wurden erst in den 1990er Jahren im Labor hergestellt.
Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine Gruppe von Atomen, die auf einen absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Wenn sie diese Temperatur erreichen, bewegen sich die Atome kaum relativ zueinander; Sie haben fast keine freie Energie dazu., An diesem Punkt beginnen die Atome zusammenzuklumpen und treten in die gleichen Energiezustände ein. Sie werden aus physikalischer Sicht identisch und die ganze Gruppe verhält sich so, als wäre es ein einzelnes Atom.
Um ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen, beginnt man mit einer Wolke aus diffusem Gas. Viele Experimente beginnen mit Atomen von Rubidium. Dann kühlen Sie es mit Lasern ab und verwenden die Strahlen, um den Atomen Energie zu entziehen. Danach, um sie weiter abzukühlen, verwenden Wissenschaftler Verdunstungskühlung., „Mit a beginnen Sie in einem ungeordneten Zustand, in dem die kinetische Energie größer ist als die potentielle Energie“, sagte Xuedong Hu, Professor für Physik an der Universität von Buffalo. „Sie kühlen es ab, aber es bildet kein Gitter wie ein Feststoff.“
Stattdessen fallen die Atome in die gleichen Quantenzustände und können nicht voneinander unterschieden werden. An diesem Punkt beginnen die Atome, der sogenannten Bose-Einstein-Statistik zu gehorchen, die normalerweise auf Teilchen angewendet wird, die man nicht unterscheiden kann, wie Photonen.,
Theorie & Entdeckung
Bose-Einstein-Kondensate wurden erstmals theoretisch von Satyendra Nath Bose (1894-1974) vorhergesagt, einem indischen Physiker, der auch das nach ihm benannte subatomare Teilchen, das Boson, entdeckte. Bose arbeitete an statistischen Problemen in der Quantenmechanik und schickte seine Ideen an Albert Einstein. Einstein hielt sie für wichtig genug, um sie zu veröffentlichen. Ebenso wichtig war Einstein, dass Boses Mathematik-später als Bose-Einstein-Statistik bekannt-sowohl auf Atome als auch auf Licht angewendet werden konnte.,
Was die beiden fanden, war, dass Atome normalerweise bestimmte Energien haben müssen-tatsächlich ist eine der Grundlagen der Quantenmechanik, dass die Energie eines Atoms oder eines anderen subatomaren Teilchens nicht willkürlich sein kann. Aus diesem Grund haben Elektronen beispielsweise diskrete „Orbitale“, die sie einnehmen müssen, und warum sie Photonen bestimmter Wellenlängen abgeben, wenn sie von einem Orbital oder Energieniveau auf ein anderes fallen. Aber kühlen Sie die Atome auf ein Milliardstel Grad absoluten Null und einige Atome beginnen, in das gleiche Energieniveau zu fallen und werden nicht mehr zu unterscheiden.,
Deshalb verhalten sich die Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat wie “ Superatome.“Wenn man versucht zu messen, wo sie sind, anstatt diskrete Atome zu sehen, sieht man eher eine unscharfe Kugel.
Andere Zustände der Materie folgen alle dem Pauli-Ausschlussprinzip, benannt nach dem Physiker Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) war ein in Österreich geborener Schweizer und amerikanischer theoretischer Physiker und einer der Pioniere der Quantenphysik. physics.It sagt, dass Fermionen — die Arten von Teilchen, aus denen Materie besteht-nicht in identischen Quantenzuständen sein können., Wenn sich zwei Elektronen im selben Orbital befinden, müssen ihre Spins daher entgegengesetzt sein, sodass sie sich auf Null summieren. Das wiederum ist ein Grund, warum die Chemie so funktioniert, wie sie es tut, und ein Grund, warum Atome nicht gleichzeitig den gleichen Raum einnehmen können. Bose-Einstein-Kondensate brechen diese Regel.
Obwohl die Theorie besagte, dass solche Zustände der Materie existieren sollten, war es nicht bis 1995, dass Eric A. Cornell und Carl E., Wieman, beide vom Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, und Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology, schafften es, einen zu machen, für den sie 2001 den Nobelpreis für Physik erhielten.
Im Juli 2018 kühlte ein Experiment an Bord der Internationalen Raumstation eine Wolke aus Rubidiumatomen auf ein Zehnmillionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und erzeugte ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum. Das Experiment hält jetzt auch den Rekord für das kälteste Objekt, das wir im Weltraum kennen, obwohl es noch nicht das kälteste ist, was die Menschheit jemals geschaffen hat.