Kondensat Bose-Einstein: asal, sifat, dan aplikasi
Kondensat Bose-Einstein adalah keadaan materi yang terjadi pada partikel tertentu pada suhu mendekati nol absolut. Untuk waktu yang lama diperkirakan bahwa hanya tiga kondisi agregasi materi yang mungkin adalah padat, cair dan gas.
Kemudian keadaan keempat ditemukan: plasma; dan kondensat Bose-Einstein dianggap sebagai kondisi kelima. Sifat khasnya adalah partikel kondensat berperilaku sebagai sistem kuantum besar daripada sebagaimana biasanya (sebagai seperangkat sistem kuantum individu atau sebagai pengelompokan atom).
Dengan kata lain, dapat dikatakan bahwa seluruh set atom yang membentuk kondensat Bose-Einstein berperilaku seolah-olah itu adalah atom tunggal.
Asal
Seperti banyak penemuan ilmiah terbaru, keberadaan kondensat secara teoritis dideduksi sebelum ada bukti empiris tentang keberadaannya.
Dengan demikian, Albert Einstein dan Satyendra Nath Bose yang secara teoritis meramalkan fenomena ini dalam publikasi bersama pada tahun 1920. Mereka melakukannya pertama kali untuk kasus foton dan kemudian untuk kasus atom gas hipotetis.
Demonstrasi keberadaannya yang sebenarnya belum mungkin sampai beberapa dekade yang lalu, ketika dimungkinkan untuk mendinginkan sampel ke suhu yang cukup rendah untuk membuktikan bahwa apa yang diantisipasi persamaan itu benar.
Memperoleh
Kondensat Bose-Einstein diperoleh pada tahun 1995 oleh Eric Cornell, Carlo Wieman dan Wolfgang Ketterle yang, berkat ini, akhirnya akan berbagi Hadiah Nobel Fisika 2001.
Untuk mencapai kondensat Bose-Einstein, mereka menggunakan serangkaian teknik eksperimental dalam fisika atom, yang dengannya mereka berhasil mencapai suhu 0, 00000002 derajat Kelvin di atas nol mutlak (suhu jauh lebih rendah daripada suhu terendah yang diamati di luar angkasa). .
Eric Cornell dan Carlo Weiman menggunakan teknik-teknik ini dalam gas encer yang terdiri dari atom rubidium; Sementara itu, Wolfgang Ketterle menerapkannya tak lama kemudian pada atom natrium.
Boson
Nama boson digunakan untuk menghormati fisikawan kelahiran India Satyendra Nath Bose. Dalam fisika partikel, dua jenis dasar partikel unsur dipertimbangkan: boson dan ferminion.
Apa yang menentukan apakah suatu partikel adalah boson atau fermion adalah apakah putarannya bilangan bulat atau setengah bilangan bulat. Pada akhirnya, boson adalah partikel yang bertanggung jawab untuk mentransmisikan kekuatan interaksi antara fermion.
Hanya partikel bosonik yang dapat memiliki kondensat Bose-Einstein ini: jika partikel yang didinginkan adalah fermion, apa yang dicapai disebut cairan Fermi.
Ini karena boson, tidak seperti fermion, tidak harus mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua partikel identik tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama pada saat yang sama.
Semua atom adalah atom yang sama
Dalam kondensat Bose-Einstein, semua atom benar-benar sama. Dengan cara ini, sebagian besar atom terkondensasi berada pada tingkat kuantum yang sama, turun ke tingkat energi serendah mungkin.
Dengan berbagi keadaan kuantum yang sama ini dan memiliki semua energi (minimum) yang sama, atom-atom tidak dapat dibedakan dan berperilaku sebagai "atom super" tunggal.
Properti
Fakta bahwa semua atom memiliki sifat identik mengandaikan serangkaian sifat teoritis yang ditentukan: atom menempati volume yang sama, menyebarkan cahaya dengan warna yang sama dan medium homogen terbentuk, di antara karakteristik lainnya.
Sifat-sifat ini mirip dengan laser ideal, yang memancarkan cahaya yang koheren (spasial dan temporal), seragam, monokromatik, di mana semua gelombang dan foton benar-benar sama dan bergerak ke arah yang sama, sehingga idealnya tidak menghilang
Aplikasi
Kemungkinan yang ditawarkan oleh keadaan materi baru ini banyak, beberapa di antaranya sangat menakjubkan. Di antara yang saat ini atau sedang berkembang, aplikasi paling menarik dari kondensat Bose-Einstein adalah sebagai berikut:
- Penggunaannya bersama dengan laser atom untuk membuat struktur nano presisi tinggi.
- Deteksi intensitas medan gravitasi.
- Memproduksi jam atom lebih akurat dan stabil daripada yang ada saat ini.
- Simulasi, dalam skala kecil, untuk mempelajari fenomena kosmologis tertentu.
- Aplikasi superfluiditas dan superkonduktivitas.
- Aplikasi yang berasal dari fenomena yang dikenal sebagai cahaya lambat atau cahaya lambat; misalnya, dalam teleportasi atau dalam bidang komputasi kuantum yang menjanjikan.
- Memperdalam pengetahuan mekanika kuantum, melakukan eksperimen yang lebih kompleks dan non-linear, serta verifikasi teori-teori tertentu yang baru-baru ini dirumuskan. Kondensat menawarkan kemungkinan untuk diciptakan kembali dalam fenomena laboratorium yang terjadi pada tahun cahaya.
Seperti dapat dilihat, kondensat Bose-Einstein dapat digunakan tidak hanya untuk mengembangkan teknik baru, tetapi juga untuk memperbaiki beberapa teknik yang sudah ada.
Tidak sia-sia mereka menawarkan presisi dan keandalan yang besar, yang dimungkinkan karena koherensi fase mereka di bidang atom, yang memfasilitasi kontrol besar waktu dan jarak.
Oleh karena itu, kondensat Bose-Einstein dapat menjadi revolusioner seperti laser itu sendiri, karena mereka memiliki banyak sifat yang sama. Namun, masalah besar untuk ini terjadi terletak pada suhu di mana kondensat ini diproduksi.
Jadi, kesulitannya terletak pada seberapa rumitnya untuk mendapatkannya dan dalam pemeliharaannya yang mahal. Untuk semua alasan ini, sebagian besar upaya saat ini berfokus terutama pada aplikasi mereka untuk penelitian dasar.
Bose-Einstein dan fisika kuantum terkondensasi
Demonstrasi keberadaan kondensat Bose-Einstein telah menawarkan alat baru dan penting untuk mempelajari fenomena fisik baru di daerah yang sangat beragam.
Tidak ada keraguan bahwa koherensinya pada tingkat makroskopis memfasilitasi studi, pemahaman dan demonstrasi hukum fisika kuantum.
Namun, fakta bahwa suhu mendekati nol mutlak diperlukan untuk mencapai keadaan materi ini adalah ketidaknyamanan yang serius untuk mendapatkan yang terbaik dari sifat luar biasa.
