Forskere opnår Bose-Einstein-kondensat med nikkelchlorid

Bose-Einstein kondenserer, ofte kaldet "stoffets femte tilstand, " opnås, når atomer afkøles næsten til det absolutte nul. Under disse forhold, partiklerne har ikke længere fri energi til at bevæge sig i forhold til på en anden, og nogle af disse partikler, kaldet bosoner, falder ind i de samme kvantetilstande og kan ikke skelnes individuelt. På dette tidspunkt, atomerne begynder at adlyde det, der er kendt som Bose-Einstein-statistikker, som normalt påføres identiske partikler. I et Bose-Einstein kondensat, hele gruppen af ​​atomer opfører sig, som om det var et enkelt atom.

Bose-Einstein-kondensater blev først forudsagt og teoretisk beregnet af Satyendra Nath Bose og Albert Einstein i 1924, men det var først i 1995, at Eric A. Cornell, Carl E. Wieman og Wolfgang Ketterle formåede at producere en ved hjælp af ultrakold rubidiumgas, som alle tre blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2001.

Forskning udført af et internationalt samarbejde har for nylig frembragt det, der svarer til et Bose-Einstein-kondensat ved hjælp af den kemiske forbindelse nikkelchlorid. Vigtigere, teoretisk behandling af dataene gjorde det muligt for forskerne at opnå et sæt ligninger, der kan anvendes på andre materialer, der ikke er karakteriseret som Bose-Einstein-kondensater.

Armando Paduan Filho, Fuld professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, deltog i undersøgelsen. "Ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt og i nærvær af et meget intenst magnetfelt, nikkelchlorid opfører sig som et Bose-Einstein-kondensat, så egenskaberne af en stor gruppe atomer kan beskrives ved hjælp af en enkelt ligning, en enkelt bølgefunktion, " fortalte Paduan Filho.

Denne opdagelse muliggør beregninger, som ellers ville være upraktiske. For eksempel, det magnetiske moment af et makroskopisk legeme kan teoretisk beregnes som summen af ​​dets atomers magnetiske momenter, men i praksis denne beregning er ikke gennemførlig på grund af det enorme antal af atomer og interaktioner involveret. "En måde at løse problemet på er at bruge kvantemekanikkens statistik. I dette tilfælde, vi skal tænke på atomer ikke som punkter eller faste stoffer, men som bølger, " sagde Paduan Filho.

I bosoner, dvs. i materialer, der adlyder Bose-Einsteins statistikker, alle bølger forbundet med de partikler, som de angiveligt består af, er lige store. I mellemtiden jo lavere temperatur på et materiale, jo længere bølgelængderne af dets partikler er, og når materialets temperatur nærmer sig det absolutte nulpunkt, bølgelængderne øges, indtil alle bølgerne overlapper hinanden. "Så vi har en situation, hvor alle bølgerne er lige store og overlapper hinanden, og vi kan derfor repræsentere dem alle som en enkelt bølge. Energi-emissioner og elektriske, magnetiske, termisk, lysende og andre egenskaber kan beregnes ved hjælp af en enkelt bølgefunktion, " forklarede han.

Da forskerne studerede nikkelchlorid, de fandt ud af, at når materialet blev afkølet næsten til det absolutte nulpunkt og udsat for et stærkt magnetfelt, dets atomer opførte sig som bosoner, og det kunne derfor karakteriseres som et Bose-Einstein-kondensat. "Det faktum, at atomerne kan opfattes som bølger, er et eksperimentelt fund, der bekræfter teorien, der henviser til, at det at sige, at de danner et Bose-Einstein-kondensat, kommer fra anvendelse af et teoretisk instrument til at forklare de observerede egenskaber, " han sagde.

Fysikere ved University of São Paulo (USP) har undersøgt de magnetiske egenskaber af nikkelchlorid i mere end et årti. "I nogle materialer, atomernes magnetiske momenter er uordnede ved stuetemperatur, men ordnede, når materialet er afkølet. Vi opdagede, at denne orden ikke sker i nikkelchlorid, men ved meget lave temperaturer og i nærvær af et højt magnetfelt, det udviser et induceret magnetisk moment, " sagde Paduan Filho.

Undersøgelsen forløb i samarbejde med flere udenlandske institutioner, bl. såsom National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) i Los Alamos, USA, og det tilsvarende navngivne franske anlæg i Grenoble (LNCMI), blandt andre. Disse partnerskaber gjorde det muligt for forskerne at nå temperaturer i størrelsesordenen 1 millikelvin - en tusindedel af en grad over det absolutte nulpunkt - og at bruge teknikker som kernemagnetisk resonans (NMR) til at studere stof på atomare og subatomare skalaer. Sådan er det lykkedes forskerne at karakterisere ultrakoldt nikkelchlorid som et Bose-Einstein-kondensat.

"Udover disse eksperimenter, vores samarbejde gav også konsekvent teoretisk arbejde, og vi nåede frem til et sæt ligninger, der med nogle transponeringer, kan påføres andre materialer bortset fra kondensater, " sagde Paduan Filho. Brugen af ​​disse ligninger giver fremragende udsigter, ikke kun for grundforskning i stoffets struktur, men også for fremtidige teknologiske anvendelser, da rigtig mange dagligdags enheder fungerer på basis af magnetiske egenskaber.