Condensado de Bose-Einstein: propriedades e aplicações - Ciência - 2023

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o Condensado de Bose-Einstein É um estado da matéria que ocorre em certas partículas a temperaturas próximas do zero absoluto. Por muito tempo, pensou-se que os únicos três estados possíveis de agregação da matéria eram sólido, líquido e gasoso.

Então, o quarto estado foi descoberto: o do plasma; e o condensado de Bose-Einstein é considerado o quinto estado. A propriedade característica é que as partículas no condensado se comportam como um grande sistema quântico, em vez de como costumam fazer (como um conjunto de sistemas quânticos individuais ou como um agrupamento de átomos).

Em outras palavras, pode-se dizer que todo o conjunto de átomos que compõe o condensado de Bose-Einstein se comporta como se fosse um único átomo.

Origem

Como muitas das descobertas científicas mais recentes, a existência do condensado foi teoricamente deduzida antes que houvesse evidência empírica de sua existência.

Assim, foram Albert Einstein e Satyendra Nath Bose que teoricamente previram esse fenômeno em uma publicação conjunta na década de 1920. Eles o fizeram primeiro para o caso dos fótons e depois para o caso dos átomos gasosos hipotéticos.

A demonstração de sua existência real não havia sido possível até algumas décadas atrás, quando uma amostra foi resfriada a temperaturas baixas o suficiente para verificar se o que as equações antecipavam era verdade.

Obtendo

O condensado de Bose-Einstein foi obtido em 1995 por Eric Cornell, Carlo Wieman e Wolfgang Ketterle que, graças a ele, acabaria compartilhando o Prêmio Nobel de Física de 2001.

Para obter o condensado de Bose-Einstein, eles recorreram a uma série de técnicas experimentais de física atômica, com as quais conseguiram atingir uma temperatura de 0,00000002 graus Kelvin acima do zero absoluto (temperatura muito inferior à menor temperatura observada no espaço sideral). .

Eric Cornell e Carlo Weiman usaram essas técnicas em um gás diluído composto de átomos de rubídio; De sua parte, Wolfgang Ketterle os aplicou pouco depois aos átomos de sódio.

Bosons

O nome bóson é usado em homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose. Dois tipos básicos de partículas elementares são considerados na física de partículas: bósons e ferminions.

O que determina se uma partícula é um bóson ou um férmion é se seu spin é inteiro ou meio inteiro. Em última instância, os bósons são as partículas responsáveis por transmitir as forças de interação entre os férmions.

Apenas as partículas bosônicas podem ter esse estado de condensado de Bose-Einstein: se as partículas resfriadas são férmions, o que se obtém é chamado de líquido de Fermi.

Isso ocorre porque os bósons, ao contrário dos férmions, não precisam cumprir o princípio de exclusão de Pauli, que afirma que duas partículas idênticas não podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo.

Todos os átomos são o mesmo átomo

Em um condensado de Bose-Einstein, todos os átomos são absolutamente iguais. Dessa forma, a maioria dos átomos no condensado está no mesmo nível quântico, descendo para o nível de energia mais baixo possível.

Por compartilhar este mesmo estado quântico e todos tendo a mesma energia (mínima), os átomos são indistinguíveis e se comportam como um único “superatomo”.

Propriedades

O fato de todos os átomos possuírem propriedades idênticas supõe uma série de certas propriedades teóricas: os átomos ocupam o mesmo volume, espalham luz da mesma cor e se constitui um meio homogêneo, entre outras características.

Essas propriedades são semelhantes às do laser ideal, que emite uma luz coerente (espacial e temporalmente), uniforme, monocromática, em que todas as ondas e fótons são absolutamente iguais e se movem na mesma direção, idealmente não dissipar.

Formulários

As possibilidades oferecidas por este novo estado da matéria são muitas, algumas verdadeiramente surpreendentes. Entre as atuais ou em desenvolvimento, as aplicações mais interessantes dos condensados de Bose-Einstein são as seguintes:

- Seu uso em conjunto com lasers atômicos para criar nanoestruturas de alta precisão.

- Detecção da intensidade do campo gravitacional.

- Fabricar relógios atômicos mais precisos e estáveis do que os que existem atualmente.

- Simulações, em pequena escala, para o estudo de determinados fenómenos cosmológicos.

- Aplicações de superfluidez e supercondutividade.

- Aplicações derivadas do fenômeno conhecido como luz lenta ou luz lenta; por exemplo, no teletransporte ou no campo promissor da computação quântica.

- Aprofundamento do conhecimento da mecânica quântica, realizando experiências mais complexas e não lineares, bem como a verificação de algumas teorias recentemente formuladas. Os condensados oferecem a possibilidade de recriar fenômenos que acontecem a anos-luz de distância em laboratórios.

Como pode ser visto, os condensados de Bose-Einstein podem ser usados não apenas para desenvolver novas técnicas, mas também para refinar algumas técnicas já existentes.

Não surpreendentemente, eles oferecem grande precisão e confiabilidade, o que é possível devido à sua coerência de fase no campo atômico, o que facilita um grande controle de tempo e distâncias.

Portanto, os condensados de Bose-Einstein podem ser tão revolucionários quanto o próprio laser já foi, uma vez que têm muitas propriedades em comum. Porém, o grande problema para que isso aconteça está na temperatura em que esses condensados são produzidos.

Assim, a dificuldade reside tanto no quão complicado é obtê-los, quanto na sua custosa manutenção. Por todas essas razões, no momento, a maioria dos esforços se concentra principalmente em sua aplicação à pesquisa básica.

Condensados de Bose-Einstein e física quântica

A demonstração da existência de condensados de Bose-Einstein ofereceu uma nova ferramenta importante para estudar novos fenômenos físicos em áreas muito diversas.

Não há dúvida de que sua coerência no nível macroscópico facilita tanto o estudo como a compreensão e a demonstração das leis da física quântica.

No entanto, o fato de que temperaturas próximas do zero absoluto são necessárias para atingir esse estado da matéria é uma séria desvantagem para obter mais de suas incríveis propriedades.

Referências

Bose - condensado de Einstein (n.d.). Na Wikipedia. Obtido em 6 de abril de 2018 em es.wikipedia.org.
Bose - condensação de Einstein. (n.d.) Na Wikipedia. Obtido em 6 de abril de 2018 em en.wikipedia.org.
Eric Cornell e Carl Wieman (1998). Bose-Einstein Condensates, "Research and Science".
A. Cornell e C. E. Wieman (1998). "O condensado de Bose - Einstein." Americano científico.
Boson (n.d.). Na Wikipedia. Obtido em 6 de abril de 2018 em es.wikipedia.org.
Boson (n.d.). Na Wikipedia. Obtido em 6 de abril de 2018 em en.wikipedia.org.