چگالش بوز–اینشتین

توزیع سرعتی ذره‌ها، اندازه‌گیری شده برای چگالش بوز-اینشتین، پنجمین حالت ماده، دو نمودار سمت راستی برای دماهای بسیار پایین است که در آنها، بوزون‌ها در پایین‌ترین حالت کوانتومی متمرکز می‌شوند.

چگالش بوز-اینشتین(به انگلیسی: Bose–Einstein condensate) حالتی از ماده است که در آن، یک گازِ رقیقِ بوزون(به انگلیسی: Boson) را تا دمای بسیار پایین و در ۲۷۳٫۱۴- درجه سانتی‌گراد(بسارنزدیک به صفرمطلق)، سرد می‌کنند. در اثر دمای بسار پایین در این گذارفازی(به انگلیسی: Phase transition)، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها، کمترین حالت کوانتومی را اِشغال می‌کنند و در آن نقطه پدیدهٔ کوانتومیِ‌ماکروسکوپی آشکار می‌شود. بوزون‌های سرد در هم فرو می‌روند و ابَر ذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک ریزموج(به انگلیسی: Microwave) دارد تا ذره‌های معمولی شکل می‌گیرد. مادهٔ چگال شدهٔ بوز-اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن بسیار کم‌است.

تاریخچه

• در سال ۱۹۹۵ دو دانشمند به نام‌های کرنل و وای من، این حالت ماده را ساختند. دو دانشمند دیگر یعنی ساتیندرا بوز(به انگلیسی: Satyendra Nath Bose) و آلبرت انیشتین، وجود این حالت را در سال ۱۹۲۰ پیش بینی کرده بودند اما وسایل و امکانات لازم را برای ساختن آن نداشتند. اتم‌های پلاسماها فوق‌العاده داغ و فوق‌العاده برانگیخته هستند، اما حالت متراکمِ بی‌ای‌سی (به انگلیسی: BEC) درست برعکس آن است و کاملاً تحریک نشده و فوق‌العاده سرد هستند. متراکم شدن یا چگالش وقتی رخ می‌دهد که چند مولکول گاز با یکدیگر جمع شده و تبدیل به مایع بشوند. این اتفاق به خاطر کاهش انرژی می‌افتد. اتم‌های گازها، واقعاً برانگیخته و پر انرژی هستند. وقتی انرژیشان کم می‌شود، حرکتشان کند می‌شود و دور هم جمع می‌شوند و می‌توانند تبدیل به قطره شوند. وقتی آب را می‌جوشانید، بخار آب روی در قابلمه چگالیده یا متراکم می‌شود؛ روی در فلزی سرد شده، دوباره به مایع تبدیل می‌شود. حالا به آن یک ماده چگال می‌گویند. حالت متراکم در دمای فوق‌العاده پایین اتفاق می‌افتد زیرا که در صفر درجه کلوین، تمام مولکول‌ها از حرکت می‌ایستند.

دمای بحرانی

• دانشمندان راهی پیدا کرده‌اند که بتوانند ماده را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد کنند. وقتی که دما تا این حد کم می‌شود، می‌شود با چند عنصر خاص حالت متراکمِ ماده را ساخت. کرنل و وای‌من این کار را با عنصر روبیدیم انجام دادند. حالا ماده که سرد است اما نه هر سردی، زیرا که یک تکه یخ هنوز در حالت جامد است. اما وقتی به دمایی نزدیک صفر مطلق می‌رسد، اتفاق خاصی می‌افتد؛ اتم‌ها شروع به جمع و یکپارچه شدن می‌کنند و تمام این اتفاق در دمایی حدود چند بیلیونیم درجه رخ می‌دهد. نتیجهٔ این یکپارچه شدن اتم‌ها، حالت چگالش بوز-اینشتین است. اتم‌هایی که در یک محل جمع شده‌اند، تشکیل یک ابَراتم را می‌دهند و دیگر هزاران اتم مجزا وجود ندارد. در سال ۲۰۰۱، ولفگانگ کترله، جایزه نوبل فیزیک را به خاطر نشان دادن تجربی این پدیده از آن خود کرد.انتقال به بی‌ای‌سی زیر دمای بحرانی رخ می‌دهد، برای یک گاز سه بعدیِ یکنواخت که از ذرات غیر متعامل و بدون هیچ درجه داخلیِ آشکارِ آزاد تشکیل شده است، این‌گونه است:

$T_{c}=\left({\frac {n}{\zeta (3/2)}}\right)^{2/3}{\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{B}}}\approx 3.3125\ {\frac {\hbar ^{2}n^{2/3}}{mk_{B}}}$

$\,T_{c}$	می‌شود	دمای بحرانی
$\,n$	می‌شود	چگالی ذرات
$\,m$	می‌شود	جرم در هر بوزون
$\hbar$	می‌شود	کاهش ثابت پلانک
$\,k_{B}$	می‌شود	ثابت بولتزمن
$\,\zeta$	می‌شود	تابع زتای ریمان $\,\zeta (3/2)\approx 2.6124.$

تداخلِ ارزشِ متغییرها و اصلاحات را می‌توان با نظریه میانگین‌میدان محاسبه کرد.

جستارهای وابسته

• پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپیک
• ابررسانایی
• عنصر فرااورانیم
• فیزیک ذرات
• ذرات زیراتمی
• گذار فاز

منابع و پانویس