چگالش بوز-اینشتین

فیزیک ماده چگال
فاز • گذار فاز
فازهای ماده جامد • مایع • گاز • چگالش بوز-اینشتین • چگالش فرمیونی • مایع فرمی • ابرجامد • ابرشاره • مایع لوتینگر • کریستال زمان
پدیده‌های مربوط به فاز گذار فاز
فازهای الکترونی نظریه نوارها • نارسانا • نارسانای مات • نیمه‌رسانایی • شبه‌فلز • رسانایی • ابررسانایی • ترموالاستیسیته • پیزوالکتریسیته • فروالکتریسیته
پدیده‌های الکترونی اثر کوانتومی هال • اثر اسپین هال • اثر کوندو
فازهای مغناطیسی دیامغناطیس • ابردیامغناطیس پارامغناطیس • ابرپارامغناطیس فرومغناطیس • ابرفرومغناطیس فرامغناطیسی • Spin glass
شبه‌ذرات فونون • اکسایتون • پلاسمون پولاریتونn • مگنون
فیزیک ماده چگال نرم جامد آمورف • ماده دانه‌ای • کریستال مایع • بسپار
دانشمندان جیمز کلرک ماکسول • یوهان دیدریک وان در والس • پیتر دبای • فلیکس بلاک • لارس اونزاگر • نویل فرانسیس مات • پیرلز • لو لانداو • فیلیپ وارن اندرسن • جان باردین • لئون نیل کوپر • جان رابرت شریفر • بریان دیوید جوزفسون • والتر کوهن • کادانوف •

چگالش بوز-اینشتین(به انگلیسی: Bose–Einstein condensate) پنجمین و جدیدترین حالت ماده است. این حالت، 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[1](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. دانشمندان برای اولین بار در مقاله ای که در ۱۱ ژانویه ۲۰۲۰ منتشر شده است بیان کردند که برای جلوگیری از تاثیر جاذبه بر این ماده و انجام آزمایش‌هایی دقیق تر این ماده را در مدار زمین و تحت شرایط ریزگرانش ساخته اند. [2]

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:

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

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

تداخلِ ارزشِ متغیرها و اصلاحات را می‌توان با نظریه‌میانگین‌میدان(به انگلیسی: Mean field theory) محاسبه کرد.[3][4]

جستارهای وابسته

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

منابع و پانویس

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ چگالش بوز-اینشتین موجود است.

1. Arora, C. P. (2001). Thermodynamics. Tata McGraw-Hill. p. 43. ISBN 0-07-462014-2., Table 2.4 page 43
2. Aveline, David C.; Williams, Jason R.; Elliott, Ethan R.; Dutenhoffer, Chelsea; Kellogg, James R.; Kohel, James M.; Lay, Norman E.; Oudrhiri, Kamal; Shotwell, Robert F. (2020-06). "Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab". Nature. 582 (7811): 193–197. doi:10.1038/s41586-020-2346-1. ISSN 1476-4687. Check date values in: |date= (help)
3. مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Mean field theory». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۹ آوریل ۲۰۱۵.
4. مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Bose–Einstein condensate». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۱۰ آوریل ۲۰۱۵.