چگالش بوز–اینشتین

ویدئویی از چگال بوز-اینشتین در مقابل دما و نمودار انرژی.

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(بسیار نزدیک به صفرمطلق)، سرد می‌کنند. در اثر دمای بسیار 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

این حالت ماده، در سال ۱۹۹۵ توسط دو دانشمند به نام‌های اریک آلن کرنل(به انگلیسی: Eric Allin Cornell) و کارل ادوین ویمن ساخته‌شد، اما پیش از آن، دو دانشمند دیگر یعنی ساتیندرا بوز(به انگلیسی: Satyendra Nath Bose) و آلبرت انیشتین، وجود این حالت را در سال ۱۹۲۰ پیش‌بینی کرده بودند ولی به دلیل نداشتن وسایل و امکانات لازم آن را نساختند.

دمای بحرانی

اتم‌های پلاسماها فوق‌العاده داغ و فوق‌العاده برانگیخته‌اند، اما حالت متراکمِ بی‌ای‌سی (به انگلیسی: BEC) درست برعکس آن است و آن‌ها کاملاً تحریک نشده و فوق‌العاده سرد هستند. متراکم شدن یا چگالش وقتی رخ می‌دهد که چند مولکول گاز، به خاطر کاهش انرژی، با یکدیگر جمع شده و تبدیل به مایع شوند. اتم‌های گازها، واقعاً برانگیخته و پر انرژی هستند اما در صفر درجه کلوین، تقریباً تمام مولکول‌ها از حرکت می‌ایستند و وقتی انرژیشان کم می‌شود حرکتشان کند شده، دور هم جمع و توان تبدیل به قطره را دارا می‌شوند.

دانشمندان راهی پیدا کرده‌اند که بتوانند ماده را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد کنند. وقتی که دما تا این حد کم می‌شود، می‌توان با چند عنصر خاص، حالت متراکمِ ماده را ساخت. کرنل و وای‌من این کار را با عنصر روبیدیم(به انگلیسی: Rubidium) انجام دادند. حالا ماده که سرد است، 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 ولفانگ کترله(به انگلیسی: Wolfgang Ketterle)، 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 شده‌است، 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 متغیرها و اصلاحات را می‌توان با نظریه‌میانگین‌میدان(به انگلیسی: Mean field theory) محاسبه کرد.

جستارهای وابسته

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