van de vijf toestanden waarin materie zich kan bevinden, is het Bose-Einstein condensaat misschien wel het meest mysterieuze. Gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en plasma ‘ s werden tientallen jaren, zo niet eeuwen, goed bestudeerd; Bose-Einstein condensaten werden pas in de jaren negentig in het laboratorium gemaakt.

een Bose-Einstein condensaat is een groep atomen die tot binnen een haar van het absolute nulpunt zijn afgekoeld. Wanneer ze die temperatuur bereiken bewegen de atomen nauwelijks ten opzichte van elkaar; ze hebben bijna geen vrije energie om dat te doen., Op dat punt, beginnen de atomen samen te klonteren, en komen in dezelfde energietoestanden. Ze worden identiek, vanuit een fysiek oogpunt, en de hele groep begint zich te gedragen alsof het een enkel atoom.

om een Bose-Einstein condensaat te maken, begin je met een wolk diffuus gas. Veel experimenten beginnen met atomen van rubidium. Dan koel je het af met lasers, met behulp van de stralen om energie weg te nemen van de atomen. Daarna, om ze verder af te koelen, gebruiken wetenschappers verdampingskoeling., “Met een, je begint vanuit een wanordelijke staat, waar kinetische energie is groter dan potentiële energie,” zei Xuedong Hu, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Buffalo. “Je koelt het af, maar het vormt geen rooster zoals een vaste stof.”

in plaats daarvan vallen de atomen in dezelfde kwantumtoestanden, en kunnen ze niet van elkaar worden onderscheiden. Op dat moment beginnen de atomen te gehoorzamen aan zogenaamde Bose-Einstein statistieken, die meestal worden toegepast op deeltjes die je niet uit elkaar kunt houden, zoals fotonen.,

theorie & ontdekking

bose-Einsteincondensaten werden voor het eerst theoretisch voorspeld door Satyendra Nath Bose (1894-1974), een Indiase natuurkundige die ook het naar hem genoemde subatomaire deeltje, het boson, ontdekte. Bose werkte aan statistische problemen in de kwantummechanica en stuurde zijn ideeën naar Albert Einstein. Einstein vond ze belangrijk genoeg om ze te publiceren. Net zo belangrijk, Einstein zag dat Bose ‘ s wiskunde-later bekend als Bose-Einstein statistieken-kan worden toegepast op zowel atomen als licht.,

wat de twee ontdekten was dat atomen gewoonlijk bepaalde energieën moeten hebben — in feite is een van de grondbeginselen van de kwantummechanica dat de energie van een atoom of ander subatomair deeltje niet willekeurig kan zijn. Dit is de reden waarom elektronen, bijvoorbeeld, discrete “orbitalen” hebben die ze moeten bezetten, en waarom ze fotonen van specifieke golflengten afgeven wanneer ze van de ene orbitaal, of energieniveau, naar het andere vallen. Maar afkoelen de atomen tot binnen miljardsten van een graad van absoluut NUL en sommige atomen beginnen te vallen in hetzelfde energieniveau, steeds niet te onderscheiden.,

daarom gedragen de atomen in een bose-einsteincondensaat zich als “superatomen”.”Wanneer men probeert te meten waar ze zijn, in plaats van discrete atomen te zien, ziet men meer een vage bal.

andere toestanden van materie volgen allemaal het Pauli-uitsluitingsprincipe, genoemd naar natuurkundige Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) was een Oostenrijks-Zwitserse en Amerikaanse theoretisch natuurkundige en een van de pioniers van kwantum physics.It zegt dat fermionen – het soort deeltjes waaruit materie bestaat-niet in identieke kwantumtoestanden kunnen zijn., Dit is de reden waarom wanneer twee elektronen in dezelfde baan zijn, hun spins tegenovergesteld moeten zijn zodat ze optellen tot nul. Dat is op zijn beurt een reden waarom chemie zo werkt en een reden waarom atomen niet dezelfde ruimte op hetzelfde moment kunnen innemen. Bose-Einstein condensaten breken die regel.

hoewel de theorie zei dat dergelijke toestanden van materie zouden moeten bestaan, was het pas in 1995 dat Eric A. Cornell en Carl E., Wieman, beiden van het Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, en Wolfgang Ketterle, van het Massachusetts Institute of Technology, slaagden erin er een te maken, waarvoor ze in 2001 de Nobelprijs voor de natuurkunde kregen. in juli 2018 koelde een experiment aan boord van het International Space Station een wolk van rubidium-atomen af tot tien miljoenste graad boven het absolute nulpunt, waardoor een Bose-Einstein-condensaat in de ruimte ontstond. Het experiment heeft nu ook het record voor het koudste object dat we kennen in de ruimte, hoewel het nog niet het koudste is dat de mensheid ooit heeft gecreëerd.