CONDENSAT DE BOSE-EINSTEIN: PROPIETATS I APLICACIONS - FÍSICA - 2025

El condensat de Bose-Einstein és un estat de la matèria que es dóna en certes partícules a temperatures properes a l'zero absolut. Durant molt temps es va pensar que els tres únics estats d'agregació possibles de la matèria eren sòlid, líquid i gasós.

Després es va descobrir el quart estat: el de plasma; i el condensat de Bose-Einstein es considera el cinquè estat. La propietat característica és que les partícules de l'condensat es comporten com un gran sistema quàntic en comptes de com ho fan habitualment (com un conjunt de sistemes quàntics individuals o com una agrupació d'àtoms).

En altres paraules, es pot dir que tot el conjunt de l'àtoms que conformen el condensat de Bose-Einstein es comporta com si es tractés d'un únic àtom.

origen

Com molts dels descobriments científics més recents, l'existència d'el condensat es va deduir teòricament abans que hi hagués constància empírica de la seva existència.

D'aquesta manera, van ser Albert Einstein i Satyendra Nath Bose qui van predir teòricament aquest fenomen en una publicació conjunta en la dècada de 1920. Ho van fer primer per al cas dels fotons i després per al cas d'hipotètics àtoms gasosos.

La demostració de la seva existència real no havia estat possible fins fa unes dècades, quan es va aconseguir refredar una mostra a temperatures prou baixes com per comprovar que el que anticipaven les equacions era cert.

Satyendra Nath Bose

obtenció

El condensat Bose-Einstein va ser obtingut en 1995 per Eric Cornell, Carlo Wieman i Wolfgang Ketterle que, gràcies a això, acabarien van compartir el Premi Nobel de Física de 2001.

Per aconseguir el condensat Bose-Einstein van recórrer a una sèrie de tècniques experimentals de física atòmica, amb les que van aconseguir arribar a la temperatura de 0,00000002 graus Kelvin per sobre de l'zero absolut (temperatura molt inferior a la menor temperatura observada en l'espai exterior).

Eric Cornell i Carlo Weiman van emprar aquestes tècniques en un gas diluït compost per àtoms de rubidi; per la seva banda, Wolfgang Ketterle les va aplicar poc temps després sobre àtoms de sodi.

els bosons

El nom de bosó s'utilitza en honor a el físic d'origen indi Satyendra Nath Bose. En la física de les partícules es consideren dos tipus bàsics de partícules elementals: els bosons i els ferminiones.

El que determina si una partícula és un bosó o un fermió és si el seu espín és sencer o semientero. Al final, els bosons són les partícules encarregades de transmetre les forces d'interacció entre els fermions.

Únicament poden tenir aquest estat de condensat Bose-Einstein les partícules bosónicas: si les partícules que es refreden són fermions, el que s'aconsegueix es denomina un líquid de Fermi.

Això és així perquè els bosons, a l'contrari que els fermions, no han de complir el principi d'exclusió de Pauli, el qual afirma que dues partícules idèntiques no poden estar a el mateix temps en el mateix estat quàntic.

Tots els àtoms són un mateix àtom

En un condensat de Bose-Einstein tots els àtoms són absolutament iguals. D'aquesta manera, la majoria dels àtoms d'el condensat es troben en el mateix nivell quàntic, descendint a el nivell de menor energia possible.

A l'compartir aquest mateix estat quàntic i tenir tots la mateixa energia (mínima), els àtoms són indistingibles i es comporten com un únic "superàtom".

propietats

El fet que tots els àtoms posseeixin propietats idèntiques suposa una sèrie de determinades propietats teòriques: els àtoms ocupen un mateix volum, dispersen llum de el mateix color i es constitueix un mitjà homogeni, entre altres característiques.

Aquestes propietats són similars a les de l'làser ideal, que emet una llum coherent (espacial i temporalment), uniforme, monocromàtica, en la qual totes les ones i fotons són absolutament iguals i es desplacen en la mateixa direcció, de manera que idealment no es dissipen.

aplicacions

Les possibilitats que ofereix aquest nou estat de la matèria són moltes, algunes realment sorprenents. D'entre les actuals o en desenvolupament, les aplicacions més interessants dels condensats de Bose-Einstein són les següents:

- La seva ocupació juntament amb làsers d'àtoms per crear nano-estructures de gran precisió.

- Detecció de la intensitat de camp gravitatori.

- Fabricació rellotges atòmics més precisos i estables que els que existeixen actualment.

- Simulacions, a petita escala, per a l'estudi de determinats fenòmens cosmològics.

- Aplicacions de la superfluïdesa i de la superconductivitat.

- Aplicacions derivades de l'fenomen conegut com slow light o llum lenta; per exemple, en teleportació o al prometedor camp de la computació quàntica.

- Aprofundiment en el coneixement de la mecànica quàntica, duent a terme experiments més complexos i amb caràcter no lineal, així com la comprovació de certes teories recentment formulades. Els condensats ofereixen la possibilitat de recrear en els laboratoris fenòmens que succeeixen a anys llum.

Com s'aprecia, els condensats de Bose-Einstein poden utilitzar-se no només per desenvolupar noves tècniques, sinó també per perfeccionar algunes tècniques que ja existeixen.

No en va ofereixen una gran precisió i fiabilitat, la qual cosa és possible per la seva coherència de fase en l'àmbit atòmic, el que facilita un gran control de el temps i de les distàncies.

Per tant, els condensats de Bose-Einstein podrien arribar a ser tan revolucionaris com ho va ser en el seu moment el propi làser, atès que tenen moltes propietats en comú. No obstant això, el gran problema perquè això passi rau en la temperatura a la qual es produeixen aquests condensats.

Així, la dificultat rau tant en el complicat que és obtenir-los com en el seu costós manteniment. Per tot això, en l'actualitat la majoria dels esforços se centren principalment en la seva aplicació a la investigació bàsica.

Condensats de Bose-Einstein i la física quàntica

La demostració de l'existència dels condensats de Bose-Einstein ha ofert una nova i important eina per a l'estudi de nous fenòmens físics en àrees molt diverses.

No hi ha cap dubte que la seva coherència a nivell macroscòpic facilita tant l'estudi, com l'enteniment i la demostració de les lleis de la física quàntica.

No obstant això, el fet que per aconseguir aquest estat de la matèria siguin necessàries temperatures properes a l'zero absolut suposa un greu inconvenient per arribar a treure més profit de les seves increïbles propietats.

referències

1. Condensat de Bose-Einstein (nd). En Wikipedia. Recuperat el 6 d'abril, 2018, des es.wikipedia.org.
2. Bose-Einstein condensate. (Nd).En Wikipedia. Recuperat el 6 d'abril, 2018, des en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell i Carl Wieman (1998). Condensats de Bose-Einstein, "Investigació i Ciència".
4. A. Cornell & CE Wieman (1998). «The Bose-Einstein condensate». Scientific American.
5. Bosó (nd). En Wikipedia. Recuperat el 6 d'abril, 2018, des es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). En Wikipedia. Recuperat el 6 d'abril, 2018, des en.wikipedia.org.