Condensados Bose-Einstein
Marissa Lingen
Dezembro de 2001
Em nossa experiência diária, a maioria de nós lidam com três fases da matéria: sólido, líquido e gás. Uma quarta fase, de alta energia, da matéria, o plasma, ocorre em processos de alta energia tão perto quanto um fogo ou tão distante quanto o núcleo de uma estrela. Durante décadas, a existência de uma quinta forma de matéria de baixa energia, conhecida como Bose-Einstein Condensates (BECs), era apenas uma possibilidade teórica. Em 2001, o Prêmio Nobel de Física foi para Eric Cornell , Wolfgang Ketterle e Carl Wieman , que usou lasers, ímãs, e resfriamento evaporativo para trazer esta nova fase fascinante da matéria.
BECs têm propriedades estranhas com muitas aplicações possíveis em tecnologias futuras. Eles podem diminuir a velocidade até o limite de velocidade residencial, fluir sem fricção e demonstrar os elementos mais estranhos da mecânica quântica em uma escala que qualquer um pode ver. Eles são efetivamente superatoms, grupos de átomos que se comportam como um.
A teoria dos BECs foi desenvolvida por Satyendra Nath Bose e Albert Einstein no início dos anos 1920. Bose combinou seu trabalho em termodinâmica e mecânica estatística com as teorias mecânicas quânticas que estavam sendo desenvolvidas, e Einstein levou o trabalho a suas conclusões naturais e trouxe-o para o público. Na época, nenhuma das tecnologias necessárias estava disponível para fazer BECs no laboratório: cryonics eram extremamente limitados, eo primeiro laser nem sequer foi construído até 1960. O controle fino permitido por computadores modernos também era um pré-requisito. Devido a todos estes obstáculos tecnológicos, não foi até 1995 que os experimentadores foram capazes de forçar átomos de rubídio para formar este tipo de condensado.
Fases da Matéria
Podemos distinguir entre as fases da matéria de várias maneiras. No nível mais elementar, os sólidos têm volume fixo e forma fixa; Líquidos têm volume fixo, mas não forma fixa; E os gases não têm. Os sólidos têm uma estrutura de ligação intermolecular mais forte do que os seus líquidos correspondentes, os quais, por sua vez, têm uma estrutura de ligação intermolecular mais forte do que os gases. Podemos também diferenciar entre fases da matéria considerando os níveis de energia. Os sólidos têm os níveis de energia mais baixos (correspondendo às temperaturas mais baixas), enquanto os líquidos e gases têm níveis cada vez mais altos. No topo desta escala, podemos adicionar plasmas, que são energéticos o suficiente para emitir todos os tipos de energia sob a forma de calor e fótons.
Condensados de Bose-Einstein representam uma quinta fase da matéria além dos sólidos. Eles são menos energéticos do que sólidos. Podemos também pensar nisso como mais organizado do que os sólidos, ou como mais frios – BECs ocorrem na fração micro-Kelvin intervalo, menos de milionésimos de um grau acima do zero absoluto; Em contraste, o vácuo do espaço interestelar tem médias positivamente tropicais de 3 K. Os BECs são mais ordenados que os sólidos, pois suas restrições não ocorrem no nível molecular, mas no nível atômico. Átomos em um sólido são bloqueados em aproximadamente a mesma localização em relação aos outros átomos na área. Os átomos em um BEC são bloqueados em todos os mesmos atributos que cada outro; Eles são literalmente indistinguíveis, no mesmo local e com os mesmos atributos. Quando uma BEC é visível, cada parte que se pode ver é a soma de porções de cada átomo, todos se comportando da mesma maneira, em vez de ser a soma dos átomos como nas outras fases da matéria.
Funções de onda e rotação quântica
No início do estudo da mecânica quântica, descobriu-se que a luz poderia se comportar como uma onda ou como uma partícula, quando antes ela só tinha sido tratada como uma onda. Esta descoberta levou Pierre de Broglie a teorizar que talvez a matéria poderia ser tratada como uma onda, e não apenas como uma partícula. Esta teoria foi testada e verificada como verdadeira: a matéria se comporta como uma onda e uma partícula, dependendo de como ela é observada.
Cada átomo tem uma função de onda que descreve seu comportamento como uma onda. Esta função de onda pode ser usada para determinar as probabilidades de que o átomo estará em um determinado local ou tem um certo momento ou outras propriedades úteis. Cada partícula também pode ser determinada para ter um spin. Enquanto muitos termos físicos significam algo diferente de seu uso diário, “spin” parece ser um comportamento que age como se a partícula está girando em torno de um eixo.
A quantidade de spin que uma partícula pode ter depende do tipo de partícula. Fermions (como elétrons) pode ter spin valores que são +/- 1/2, +/- 3/2, +/- 5/2, etc; Bosons (como alguns isótopos de hidrogênio e hélio) têm valores de rotação que são números inteiros. Fermions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, enquanto que os bósons não. Bosons e fermions podem ambos ser partículas compostas; Eles não têm de ser partículas “indivisíveis”. A mesma física manter-se-á para os bosons tais como os photons e os mesons de K como prenderão para átomos do hidrogênio e do helium, contanto que os átomos forem próximos a seu estado à terra.
O Princípio de Exclusão de Pauli (que foi determinado experimentalmente) afirma que nenhuma das duas partículas de fermião pode ocupar o mesmo estado ao mesmo tempo. Eles devem ter alguma forma de ser distinguido, seja por localização, spin state, ou alguma outra propriedade. Isso significa que, se um fermion está em um local terra ou estado de energia mínima, o próximo fermion na área deve estar em um estado de energia mais elevada. Para os bósons, no entanto, o Princípio de Exclusão de Pauli é irrelevante por definição – assim todos os bósons podem estar no mesmo estado ao mesmo tempo. Eles não precisam ser distinguidos uns dos outros. Quando isso acontece, um condensado de Bose-Einstein é criado.
Criando um Condensado
Devido às condições específicas em que podem existir, os Condensados de Bose-Einstein foram criados apenas em laboratórios. Primeiro, um experimentador toma bósons que foram purificados de outros elementos e os coloca no vácuo. As escolhas populares para esses bosons incluem isótopos específicos de átomos de hélio, sódio, rubídio e hidrogênio. Nem todos os isótopos são bósons, e somente os bósons podem formar um BEC. O método inicial de fazer um condensado de rubídio é o mais direto, e outros métodos têm sido refinamentos dos mesmos princípios gerais de resfriamento.
Os átomos são primeiro arrefecidos a fracções de um grau Kelvin. Eles precisam estar praticamente imóveis para permanecer no estado de base BEC. Em seguida, eles são colocados em uma armadilha magnética, mantendo-os em uma área limitada. A armadilha magnética é arranjada com oito ímãs no que é sabido como uma configuração do quadrupole. Os ímãs com os quais estamos mais familiarizados na vida diária são imãs de dipolo: um campo de magnetização de duas extremidades com uma polaridade em uma extremidade e a polaridade oposta na outra extremidade. Uma configuração de quadrupolo parece mais um sinal de mais, com os pontos opostos tendo a mesma polaridade.
Quando os átomos estão em uma armadilha magnética quadrupolar, a maneira que interagem é primeiramente com seu rotação; Considerações de ordem superior como as interações magnetostáticas são limitadas pela armadilha. Um laser com um comprimento de onda precisamente calculado brilha nos átomos, e como a luz dispersa fora dos átomos, leva com ele mais energia do que trouxe no processo. O deslocamento Doppler dos átomos de energia mais elevada é calculado de modo que eles “vejam” o laser da cor certa, e os átomos que já são energia mais baixa permanecem unexcited. O estado de energia dos átomos está, naturalmente, diretamente relacionado à rapidez com que eles estão se movendo, de modo que o primeiro comprimento de onda usado é selecionado para os átomos mais rápidos presentes.
O comprimento de onda do laser deve ser ajustado com precisão ao átomo. Um dos mais difíceis problemas enfrentados pelos físicos ao fazer BECs é manter o laser sintonizado na freqüência certa, apesar da interferência externa; Mesmo um carro passando na estrada fora de um laboratório pode causar vibração suficiente para bater o laser fora de sua freqüência desejada. Para piorar as coisas, à medida que a velocidade média dos átomos diminui e seu nível de energia diminui, o deslocamento Doppler desejado muda, de modo que o laser deve ser reajustado para corresponder aos novos átomos de energia “altos”. A fim explicar o movimento de todas as direções, os lasers brilham dentro nos átomos dos pontos opostos em todos os três machados. Além disso, a armadilha magnética é combinada com uma armadilha óptica que empurra átomos de volta para o centro se eles se desviam muito longe. Esta configuração do laser é conhecida como “melaço óptico”.
Os átomos são então resfriados através do que é conhecido como resfriamento evaporativo. Essencialmente, o resfriamento evaporativo permite que os átomos mais rápidos e mais energéticos escapem da armadilha, deixando para trás apenas os átomos mais lentos, mais frescos e menos energéticos. De todos os materiais utilizados, o rubidium foi o mais fácil de se tornar um BEC porque seus átomos são os maiores – eles alcançam baixas velocidades na temperatura mais alta (energia) porque a massa se relaciona com a energia (o hidrogênio foi o BEC mais difícil de se formar, Acho que pode ter aplicações superiores por causa de seu tamanho pequeno). Quando os átomos chegam ao ponto em que só ficam átomos de estado terrestre, eles se coalescem em um Condensado de Bose-Einstein, que se comporta como um superátomo. O primeiro condensado consistia de 2000 átomos; Alguns condensados foram criados que são do tamanho de um centavo (vários milhões de átomos), mas ainda se comportam como um átomo gigante.
Propriedades e Aplicações Futuras
A maior parte da pesquisa em Bose-Einstein Condensates serve como pesquisa “básica” – ou seja, está mais preocupada em saber mais sobre o mundo em geral do que com a implementação de uma tecnologia específica. No entanto, existem vários usos potenciais para BECs. A aplicação mais promissora está em gravar. Quando os BECs são formados em um feixe, eles são como um laser em sua coerência. Ou seja, tanto um laser como um feixe BEC funcionam “em passo de bloqueio”, garantindo que um experimentador pode saber como uma parte do feixe se comportará em cada local. Esta propriedade de lasers foi usada no passado para fins de gravação. Um feixe BEC teria maior precisão e energia do que um laser, porque mesmo em seu estado de baixa energia cinética, as partículas maciças seriam mais energéticas do que os fótons sem massa. As principais preocupações tecnológicas com um feixe BEC seria obter um ambiente limpo o suficiente para que ele funcione repetidamente e reduzindo o custo de criação BEC suficiente para usar BECs regularmente em vigas. No entanto, os feixes BEC ou “lasers atômicos” poderiam produzir objetos cortados com precisão até uma escala muito pequena – possivelmente uma escala de nanotecnologia. Seus limites práticos serão encontrados com a experimentação.
De certa forma, o laser atômico funciona como o oposto de um laser. Um laser pode produzir mais fótons dos átomos à mão, mas um laser de átomo só pode lidar com o número de átomos que começa com. Ao invés de ser batido em um estado excitado, como átomos que emitem fótons laser são, átomos BEC são resfriados até o estado fundamental. Ao contrário de um feixe de laser, um raio laser de átomo não poderia viajar muito pelo ar e iria cair devido à gravidade. No entanto, essas diferenças podem ser calculadas e contabilizadas nos futuros usos do laser atômico.
Uma das propriedades mais conhecidas dos BECs é a sua superfluidez. Ou seja, os BEC fluem sem atrito interior. Uma vez que eles são efetivamente superatoms, BECs estão todos se movendo da mesma maneira ao mesmo tempo quando eles fluem, e não têm perdas de energia devido à fricção. Mesmo os melhores lubrificantes atualmente disponíveis têm algumas perdas de fricção como suas moléculas interagem uns com os outros, mas BECs, embora terrivelmente caro, não iria representar tal problema.
Um dos problemas que os físicos enfrentam quando ensinam mecânica quântica é que os princípios são apenas contra-intuitivos. Eles são difíceis de visualizar. Mas vídeos de bolhas BEC vários milímetros em mostrar dualidade onda-partícula em um nível que pode compreender facilmente. Podemos assistir a algo que age como um átomo, a um tamanho que poderíamos segurar em nossas mãos. Pesquisadores do MIT produziram padrões de franja de interferência visível de BECs de sódio, demonstrando efeitos de mecânica quântica na macroescala. Só isso vale a pena notar.
Talvez o mais interessante, CEBs têm sido usados para retardar a velocidade da luz para um rastreamento – de 186,282 milhas por segundo (3×108 m / s) no vácuo a 38 milhas por hora (17 m / s) em uma de sódio BEC. Nenhuma outra substância até agora tem sido capaz de desacelerar a velocidade da luz dentro de ordens de magnitude dessa velocidade. Embora até agora esta descoberta não tenha sido aplicada a quaisquer problemas tecnológicos, os pesquisadores de Harvard sugerem que isso poderia possibilitar revoluções nas comunicações, incluindo possivelmente um interruptor de um único fóton.
O condensado de Bose-Einstein é a matéria como o laser é à luz – a analogia é precisamente que simples. Levou vinte anos a partir da invenção do laser até que suas aplicações tecnológicas começaram a decolar. Inicialmente, os lasers eram considerados muito difíceis de fazer para sempre encontrar uso em aplicações diárias; Agora, eles estão em toda parte. As características dos BECs, especificamente sua resposta ao som e outros distúrbios, ainda estão sob investigação, mas eles mantêm a promessa de muitos curiosos acontecimentos futuros.
Marissa K. Lingen é um escritor freelance que vivem em Hayward, CA. Sua formação é em física, mas ela também está atualmente interessada na Finlândia, computação pre-transistor e alces.
Fonte:
CURA QUÂNTICA
CONDENSADOS BOSE-EINSTEIN – MARISSA LINGEN