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Condensado de Bose-Einstein

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El Condensado de Bose-Einstein es una fase de la materia formada por bósons a una temperatura muy próxima del cero absoluto. En estas condiciones, una gran fracción de átomos alcanza el más bajo estado quântico, y en estas condiciones los efectos quânticos pueden ser observados a la escala macroscópica. La existencia de este estado de la materia como consecuencia de la mecánica quântica fue inicialmente prevista por Albert Einstein en 1925, en el seguimento del trabajo efectuado por Satyendra Nath Bose. El primero condensado de este tipo fue producido setenta años más tarde por Eric Cornell y Carl Wieman en 1995, en la Universidad de Colorado en Boulder, usando un gas de átomos de rubídio enfriado a 170 nanokelvins (nK).

Datos de distribución de velocidad confirmando el descubrimiento de un nuevo estado de la materia, el Condensado de Bose-Einsten, a partir de un gas de Rubídio

Tabla de contenido

Descripción detallada del gráfico de distribución de velocidades

Los colores artificiales representan el número de átomos en cada velocidad, indicando el rojo menos átomos y el blanco más átomos. Las áreas en que aparecen blanco y azul claro son velocidades más pequeñas. Izquierda: Luego antes de la aparición del condensado de Bose-Einstein. Centro: En el instante de la aparición del condensado. Derecha: después de la rápida evaporação, dejando muestras puras del condensado. Lo pico no es infinitamente estrecho debido al Principio de la Incertidumbre de Heisenberg: cuando un átomo es retenido en una región específica del espacio su distribución de velocidad posee necesariamente una correcta anchura mínima.

Introducción

Los condensados de Bose-Einstein son fluidos de bajas temperaturas con propiedades no totalmente comprendidas, como fluir espontáneamente para fuera de su recipiente. Este efecto es una consecuencia de la mecánica quântica, que postula que cualquier sistema sólo puede adquirir energía en cantidades discretas. Si un sistema está a una temperatura tan baja que esté en su estado de energía mínima, no es posible reducir su energía, ni siquiera por fricción. Así siendo, sin fricción, el fluido fácilmente supera la gravedad debido a la fuerzas de adhesión entre el fluido y la pared de su recipiente y tomará la posición más favorable, o sea, a toda la vuelta del recipiente.

Teoría

El abrandamento de átomos por medio de arrefecimento produce un estado quantico único conocido como condensado de Bose o condensado de Bose-Einstein. Este fenómeno fue teorizado los años 20 por Albert Einstein, al generalizar el trabajo de Satyendra Nath Bose sobre la mecánica estadística de los Fótons (sin masa) para átomos (con masa). (El manuscrito de Einstein, que se pensaba estar perdido, fue encontrado en 2005 en una biblioteca de la Universidad de Leiden). El resultado del trabajo de Bose y Einstein es el concepto de gas de Bose, gobernado por la estadística de Bose-Einstein que describe la distribución estadística de partículas idénticas de spin entero, conocidas hoy día como Bósons. Las partículas bosónicas, que incluyen el Fóton y átomos como el hélio-4 pueden partilhar estados quanticos unas con las otras. Einstein especuló que enfriando los átomos bosónicos hasta temperaturas muy bajas los haría colapsar (o "condensar") para el más bajo estado quantico accesible, resultando en una nueva forma de materia.

Esta transición ocurre abajo de una temperatura crítica, la cual, para un gas tri-dimensional uniforme consistiendo en partículas no-interactivas y sin grados internos de libertad aparentes, es dada por:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): T_c=\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3}\frac{h^2}{2\pi m k_B}


donde:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): T_c  es  la temperatura crítica,
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): n la densidad de la partícula,
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): m la masa por bóson,
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): h la constante de Planck,
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): k_B la constante de Boltzmann, y
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \zeta la función zeta de Riemann; Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \zeta(3/2)

 ≈ 2.6124.

Descubrimiento

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En 1938, Pyotr Kapitsa, John Allen y Don Misener descubrieron que el hélio-4 se transformaba en un nuevo tipo de fluido, hoy conocido como un superfluido, la temperaturas abajo de los 2.17 kelvin (K) (punto lambda). El hélio superfluido tiene muchas propiedades invulgares, incluyendo viscosidad cero (la propiedad de fluir sin disipar energía) y la existencia de vórtices quantizados. Rápidamente se percibió que esta naturaleza superfluida era debida a la condensação de Bose-Einstein de los átomos de hélio-4, que son bósons (o bosões, en el portugués de Portugal). De hecho, muchas de las propiedades del hélio superfluido aparecen también en los condensados de Bose-Einstein gaseosos creados por Cornell, Wieman y Ketterle (ver abajo). Sin embargo, el hélio-4 superfluido no es normalmente referido como un condensado de Bose-Einstein por ser líquido en vez de gaseoso, lo que significa que las interacciones entre los átomos son relativamente fuertes. La teoría original de la condensação de Bose-Einstein tiene que ser profundamente modificada para describir este comportamiento.

El primero "verdadero" condensado de Bose-Einstein fue creado por Eric Cornell, Carl Wieman y compañeros en el JILA a 5 de Junio de 1995 . Este hecho fue conseguido enfriando un vapor diluído de aproximadamente 2000 átomos de rubídio-87 hasta alcanzar temperaturas abajo de los 170 nK usando una combinación de arrefecimento a láser (una técnica que valió a sus inventores Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, y William D. Phillips el Premio Nobel de la Física en 1997) y arrefecimento por evaporação magnética. Cerca de cuatro meses después, un proyecto independiente conducido por Wolfgang Ketterle en el MIT creó un condensado formado por sódio-23. El condensado de Ketterle era constituido por trescientas veces más átomos, lo que le permitió obtener varios resultados importantes como la observación de interferencia cuánto-mecánica entre dos condensados diferentes. Cornell, Wieman y Ketterle ganaron el Premio Nobel en 2001 por su trabajo.

La condensação de Bose-Einstein también se aplica la quasipartículas en materiales sólidos. Un mágnon en un antiferromagneto posee spin 1 y por lo tanto obedece a la estadística de Bose-Einstein. La densidad de mágnons es controlada por un campo magnético externo, que desempeña el papel de "potencial químico" del mágnon. Esta técnica permite el acceso a un amplio rango de densidades de bósons, desde el límite de un gas de Bose diluído hasta al de líquido de Bose fuertemente interactivo. Un ordenamente magnético observado al punto de condensação es el análogo de la superfluidez. En 1999, la condensação de Bose para mágnons fue demostrada en el TICuCl3[1]. La condensação fue observada la temperaturas tan altas cuánto 14 K. Una temperatura de transición tan alta (relativamente a aquella de los gases atómicos) se debe a una densidad mayor obtenível con mágnons y la una masa más pequeña (aproximadamente igual a la masa del electrón).

Características invulgares

Experiencias más detalladas del equipo del JILA, en 2000, revelaron una hasta entonces desconocida propiedad del condensado de Bose-Einstein. Cornell, Wieman y sus compañeros de trabajo utilizaron originalmente el rubídio-87, un isótopo cuyos átomos se repelem naturalmente formando un condensado más estable. Los instrumentos del equipo del JILA ya permitían mejor control sobre el condensado, y así las experiencias fueron hechas en átomos naturalmente atractivos de otro isótopo de rubídio, el rubídio-85 (con deflexión átomo-átomo negativa). A través de un proceso denominado resonancia de Feshbach, que envuelve un varrimento del campo magnético, causando colisiones con inversão de spin, los investigadores del JILA disminuyeron las energías características y discretas con las cuales los átomos de rubídio se conectan en moléculas haciendo sus átomos de Rb-85 repulsivos y creando un condensado estable. El cambio reversível de atracción para repulsão se origina de la interferencia quântica entre átomos de condensado que se comportan como ondas.

Cuando los científicos aumentaron aún más la intensidad del campo magnético, la repulsão fue repentinamente sustituida por la atracción, el condensado implodiu y encogió además del umbral de detección, y después explotó, destruyendo aproximadamente dos tercios de sus cerca de 10.000 átomos. Cerca de mitad de los átomos en el condensado parece haber desaparecido totalmente durante la experiencia, no siendo observabais en los restos enfriados o en la nube gaseosa expandida. Carl Wieman explicó que, según la teoría atómica actual, esta característica del condensado de Bose-Einstein no podría ser explicada pues el estado de energía de un átomo próximo al cero absoluto no debería ser suficiente para causar una implosão; sin embargo, fueron subsiguientemente avanzadas teorías de campo medio con vista a la explicación de este fenómeno.

Visto que explosiones de supernovas son implosões, la explosión de un condensado de Bose-Einstein en colapso fue bautizada "bosenova".

Investigación actual

Comparados con los estados de la materia más comunes, los condensados de Bose-Einstein son extremadamente frágiles. La mínima interacción con el mundo exterior puede ser suficiente para calentarlas por encima del límite de condensação, formando así un gas normal con la pérdida de sus propiedades interesantes. Probablemente pasará algún tiempo antes de alguna aplicación práctica ser desarrollada.

Aun así, los condensados de Bose-Einstein han sido útiles en la investigación de variadas cuestiones de la física fundamental, y desde los descubrimientos iniciales de los grupos del JILA y del MIT hube una explosión en la actividad teórica y experimental. Ejemplos de eso incluyen experiencias que demostraron la interferencia entre condensados debido a la dualidade onda-particula[2], el estudio de la superfluidez y vórtices [3] quantizados y el abrandamento de pulsaciones de luz hasta velocidades muy pequeñas usando la transparencia inducida electromagneticamente[4]. Los experimentadores también construyeron "rejas ópticas", donde el patrón de interferencia de laseres solapados suministra un potencial periódico al condensado. Estas han sido usadas para explorar la transición entre un superfluido y un isolador de Mott[5] y pueden ser útiles en el estudio en la condensação de bose-Einstein en menos del que tres dimensiones, por ejemplo en el gas de Tonks-Girardeau.

Ya fueron producidos condensados de Bose-Einsteim compuestos por una gran variedad de isótopos [6].

Experiencias semejantes sobre arrefecimento de férmions , en lugar de bósons la temperaturas extremadamente bajas, crearon gases degenerados, donde los átomos no se congregam en un único estado, debido al Principio de exclusión de Pauli. Para exhibir propiedades de condensado de Bose-Einstein, los férmions deben "emparelhar-si", formando partículas compuestas (por ejemplo, moléculas, o paresde Cooper) que se comportan como bósons. Los primeros condensados de Bose-Einstein moleculares fueron creados en Noviembre de 2003 por los equipos de Rudolf Grimm en la Universidad de Innsbruck, Deborah S. Jin en la Universidad de Colorado en Boulder y Wolfgang Ketterle en el MIT. Jin avanzó rápidamente, creando el primero condensado fermiônico compuesto por Pares de Cooper[7].

Ver también

Referencias

  • S. N. Bose, Z. Phys. 26, 178 (1924)
  • A. Einstein, Sitz. Ber. Preuss. Akad. Wiss. (Berlin) 1, 3 (1925)
  • L.D. Landau, J. Phys. USSR 5, 71 (1941)
  • L. Landau (1941). "Theory of the Superfluidity of Helium II". Physical Review 60: 356-358.
  • M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.Y. Wieman, and Y.A. Cornell (1995). "Observation of Bose–Einstein Condensation in la Dilute Atomic Vapor". Science 269: 198-201.
  • K.B. Davis, M.-Lo. Mewes, M.R. Andrews, N.J. van Druten, D.S. Durfee, D.M. Kurn, and W. Ketterle (1995). "Bose–Einstein condensation in a gas of sodium atoms". Physical Review Letters 75: 3969-3973..
  • D. S. Jin, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. Y. Wieman, and Y. A. Cornell (1996). "Collective Excitations of a Bose–Einstein Condensate in a Dilute Gas". Physical Review Letters 77: 420-423.
  • M. R. Andrews, C. G. Townsend, H.-J. Miesner, D. S. Durfee, D. M. Kurn, and W. Ketterle (1997). "Observation of interference between two Bose condensates". Science 275: 637-641..
  • M. R. Matthews, B. P. Anderson, P. C. Haljan, D. S. Hall, C. Y. Wieman, and Y. A. Cornell (1999). "Vortices in a Bose–Einstein Condensate". Physical Review Letters 83: 2498-2501.
  • Y.A. Donley, N.R. Claussen, S.L. Cornish, J.L. Roberts, Y.A. Cornell, and C.Y. Wieman (2001). "Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates". Nature 412: 295-299.
  • M. Greiner, Lo. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch (2002). "Quantum phase transition from a superfluid te lo a Mott insulator in a gas of ultracold atoms". Nature 415: 39-44..
  • S. Jochim, M. Bartenstein, A. Altmeyer, G. Hendl, S. Riedl, C. Chin, J. Hecker Denschlag, and R. Grimm (2003). "Bose–Einstein Condensation of Molecules". Science 302: 2101-2103.
  • Markus Greiner, Cindy A. Regal and Deborah S. Jin (2003). "Emergence of a molecular Bose−Einstein condensate from a Fermi gas". Nature 426: 537-540.
  • M. W. Zwierlein, C. A. Stan, C. H. Schunck, S. M. F. Raupach, S. Gupta, Z. Hadzibabic, and W. *Ketterle (2003). "Observation of Bose–Einstein Condensation of Molecules". Physical Review Letters 91: 250401.
  • C. A. Regal, M. Greiner, and D. S. Jin (2004). "Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs". Physical Review Letters 92: 040403.
  • C. J. Pethick and H. Smith, Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
  • Lev P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose–Einstein Condensation, Clarendon Press, Oxford, 2003.
  • Mackie M, Suominen KA, Javanainen J., "Mean-field theory of Feshbach-resonant interactions in 85Rb condensates." Phys Rev Lett. 2002 Oct 28;89(18):180403.
  • Oxford Experimental BEC Group. http://www-matterwave.physics.ox.ac.uk/bec/bec.html

Notas

Conexiones externas

(en portugués)[1] Web de la UNESP hablando del descubrimiento. (en portugués)[2] Página de la UFC con introducción al asunto.