Bose Einstein condensado
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- Shawn Leffler
Explicamos o que é o condensado de Bose-Einstein, sua origem, características, como é obtido e suas aplicações
figura 1.- No condensado de Bose Einstein, os bósons de baixa temperatura são mantidos no estado de energia mais baixo. Fonte: f. Zapata O que é o condensado de Bose Einstein?
O condensado de Bose Einstein (CBE) é um estado de agregação da matéria, bem como os estados usuais: gasosos, líquidos e sólidos, mas que ocorre a temperaturas extremamente baixas, muito próximas a zero absoluto.
Consiste em partículas chamadas bósons, que nessas temperaturas estão localizadas no estado quântico de menor energia, chamado Estado fundamental. Albert Einstein previu essa circunstância em 1924, depois de ler os trabalhos enviados pelo físico hindu Satyendra Bose sobre as estatísticas dos fótons.
Não é fácil obter no laboratório as temperaturas necessárias para a formação do condensado de Bose-Einstein, então tivemos que esperar até 1995 para ter a tecnologia necessária.
Naquele ano, os físicos americanos Eric Cornell e Carl Wieman (Universidade do Colorado) e depois o físico alemão Wolfgang Ketterle (MIT), conseguiram observar o primeiro condensado de Bose-Einstein. Os cientistas do Colorado usaram o Rubidio-87, enquanto Ketterle o alcançou através de um gás extremamente diluído de átomos de sódio.
Graças a esses experimentos, que abriram as portas para novos campos de pesquisa na natureza do assunto, Ketterle, Cornell e Wieman receberam o Prêmio Nobel em 2001.
E é que as temperaturas muito baixas possibilitam que os átomos de um gás com certas características sejam conduzidos um estado tão ordenado, que eles conseguem adquirir a mesma energia reduzida e quantidade de movimento, algo que não acontece em matéria comum.
Características do condensado de Bose-Einstein
Vejamos as principais características do condensado de Bose-Einstein:
- O condensado de Bose-Einstein é produzido em gases compostos de átomos bosônicos muito diluídos.
- Os átomos no condensado permanecem no mesmo estado quântico: o estado de energia fundamental ou inferior.
- Temperaturas extremamente baixas são necessárias, apenas algum nano-kelvin acima do zero absoluto. Quanto menor a temperatura, o comportamento das ondas das partículas é cada vez mais evidente.
- Em princípio, a matéria no estado de condensado de Bose Einstein não existe na natureza, pois até o momento as temperaturas não foram detectadas abaixo de 3 K.
- Alguns CBE têm supercondutividade e super fluência, ou seja, falta de oposição à passagem da corrente, bem como viscosidade.
- Os átomos no condensado, sendo todos no mesmo estado quântico, apresentam uniformidade em suas propriedades.
Origem do condensado de Bose-Einstein
Quando você tem um gás bloqueado em um recipiente, geralmente as partículas que o compõem mantêm uma distância suficiente uma da outra, interagindo muito pouco, exceto para colisões ocasionais entre elas e com as paredes do recipiente. A partir daí deriva o modelo de gás ideal bem conhecido.
No entanto, as partículas estão em uma agitação térmica permanente, e a temperatura é o parâmetro decisivo que define a velocidade: a uma temperatura mais alta, um movimento mais rápido.
E embora a velocidade de cada partícula possa variar, a velocidade média do sistema permanece constante a uma determinada temperatura.
Fermões e bósons
O fato importante é que a matéria é composta por dois tipos de partículas: férmions e bósons, diferenciados por spin (momento angular intrínseco), uma qualidade inteiramente quântica.
O elétron, por exemplo, é um férmion com giro semi-permanente, enquanto os bósons têm giro inteiro, tornando seu comportamento estatístico diferente.
Os férmions gostam de ser diferentes e, portanto, obedecer ao princípio de exclusão de Pauli, segundo o qual não pode haver dois férmions no átomo com o mesmo estado quântico. É por isso que os elétrons estão localizados em diferentes orbitais atômicos e, portanto, não ocupam o mesmo estado quântico.
Por outro lado, os bósons não aderem ao princípio da exclusão, portanto não têm inconvenientes para ocupar o mesmo estado quântico.
Natureza dupla da matéria
Outro fato -chave no entendimento do CBE é a natureza dupla do assunto: onda e partícula ao mesmo tempo.
Tanto férmions quanto bósons podem ser descritos como uma onda com uma certa extensão no espaço. O comprimento de onda λ desta onda está relacionada ao seu momento ou quantidade de movimento p, Através da equação de De Broglie:
Pode atendê -lo: eletrodinâmica
Onde h é constante de Planck, cujo valor é 6.62607015 × 10-3. 4 J.s.
Em altas temperaturas, predomina a agitação térmica, o que significa que o momento p é grande e comprimento de onda λ é pequena. Assim, os átomos mostram suas propriedades como partículas.
Mas quando a temperatura desce, a agitação térmica diminui e com ela o momento, originando -se que o comprimento de onda aumenta e as características onduladas prevalecem. Assim, as partículas deixam de ser localizadas, porque as respectivas ondas aumentam seu tamanho e se sobrepõem.
Há uma certa temperatura crítica sob a qual os bósons acabam no estado fundamental, que é o estado com a menor energia (não é 0). É quando a condensação ocorre.
O resultado é que os átomos bosônicos não são mais distinguíveis e o sistema se torna uma espécie de super átomo, descrito por uma única função de onda. É equivalente a vê -lo através de uma poderosa lente de aumento com a qual você pode ver seus detalhes.
Como você consegue o condensado?
A dificuldade do experimento está em manter o sistema em temperaturas suficientemente baixas, para que o comprimento de onda de De Broglie permaneça alto.
Os cientistas do Colorado alcançaram isso através de um sistema de resfriamento a laser, que consiste em atingir a amostra de átomos frontalmente com seis vigas de luz a laser para detê -los bruscamente e, assim, reduzir drasticamente sua agitação térmica.
Então os átomos mais frios e mais lentos foram presos por um campo magnético, deixando o mais rápido para esfriar ainda mais o sistema.
Pode atendê -lo: leis de kirchhoff
Figura 2.- Distribuição de velocidade de átomos de RB no CBE. O pico branco representa o maior número de átomos, com velocidade estimada de 0.5 mm/s. Fonte: Wikimedia Commons. Os átomos confinados dessa maneira conseguiram se formar, por alguns momentos, uma pequena gota de CBE, que durou tempo suficiente para ser gravado em uma imagem.
Aplicações e exemplos
Atualmente, os aplicativos da CBE estão em pleno desenvolvimento e ainda passarão algum tempo antes.
Computação quântica
Manter a coerência em computadores quânticos não é uma tarefa fácil, portanto, a CBE foi proposta como um meio de manter a troca de informações entre computadores quânticos individuais.
Redução da velocidade da luz
A velocidade da luz no vácuo é uma constante da natureza, embora seu valor em outras mídias, como na água, possa ser diferente.
Graças ao CBE, é possível reduzir amplamente a velocidade da luz, até 17 m/s, de acordo com algumas experiências. Isso é algo que permitirá não apenas se aprofundar ainda mais no estudo da natureza da luz, mas seu uso na computação quântica para armazenar informações.
Relógios atômicos de grande precisão
Os átomos frios permitem a criação de relógios atômicos de grande precisão, que experimentam atrasos mínimos em longos períodos, da ordem de milhões de anos, qualidades muito úteis ao sincronizar sistemas GPS.
Simulação de processos cosmológicos
As forças atômicas geradas no condensado podem ajudar a simular as condições em que os processos físicos ocorrem em alguns objetos notáveis no universo, como estrelas de nêutrons e buracos negros.
Referências
- Bauer, w. 2011. Física para engenharia e ciências. Volume 1. Mc Graw Hill.
- Chang, R. 2013. Química. Décima Primeira edição. Educação de McGraw Hill.
- Landsil. Os cinco estados da matéria. Recuperado de: Landsil.com.
- O relatório Qubit. A velocidade de formação de condensado de Bose-Einstein aumentou, o método de formação simplificado. Recuperado de: qubitreport.com.
- Tipler, p. 2008. Física moderna. 5 ª. Editar. C. H. Freeman & Company.