Bose Einstein Condensat

Nous expliquons quel est le condensat de Bose-Einstein, son origine, les caractéristiques, comment il est obtenu et ses applications

Figure 1.- Dans le condensat de Bose Einstein, les bosons à basse température sont tous maintenus dans l'état énergétique le plus bas. Source: F. Zapata

Qu'est-ce que le condensat de Bose Einstein?

Le condensat de Bose Einstein (CBE) est un état d'agrégation de la matière, ainsi que les états habituels: gazeux, liquide et solide, mais qui se déroule à des températures extrêmement basses, très près de Zero absolu.

Il se compose de particules appelées bosons qui, à ces températures, sont situées dans l'état quantique de l'énergie inférieure, appelée État fondamental. Albert Einstein a prédit cette circonstance en 1924, après avoir lu les œuvres envoyées par le physicien hindou Satyendra Bose sur les statistiques des photons.

Il n'est pas facile d'obtenir en laboratoire les températures nécessaires pour la formation du condensat de Bose-Einstein, nous avons donc dû attendre jusqu'en 1995 pour avoir la technologie nécessaire.

Cette année-là, les physiciens américains Eric Cornell et Carl Wieman (Université du Colorado), puis le physicien allemand Wolfgang Ketterle (MIT), ont réussi à observer le premier condensat de Bose-Einstein. Les scientifiques du Colorado ont utilisé Rubidio-87, tandis que Ketterle l'a réalisé à travers un gaz extrêmement dilué d'atomes de sodium.

Grâce à ces expériences, qui ont ouvert les portes à de nouveaux domaines de recherche dans la nature du sujet, Ketterle, Cornell et Wieman ont reçu le prix Nobel en 2001.

Et c'est que les températures très basses permettent que les atomes d'un gaz avec certaines caractéristiques soient effectués un état aussi ordonné, qu'ils parviennent à acquérir toutes les mêmes énergies et quantité de mouvement réduites, ce qui ne se produit pas dans la matière ordinaire.

Caractéristiques des condensats de Bose-Einstein

Regardons les principales caractéristiques du condensat de Bose-Einstein:

• Le condensat de Bose-Einstein est produit dans des gaz composés d'atomes bosoniques très dilués.
• Les atomes du condensat restent dans le même état quantique: l'état énergétique fondamental ou inférieur.
• Des températures extrêmement basses sont nécessaires, juste une nano-kelvin au-dessus du zéro absolu. Plus la température est basse, le comportement des ondes des particules est de plus en plus évident.
• En principe, la matière dans l'État du condensat de Bose Einstein n'existe pas de nature, car à ce jour, les températures n'ont pas été détectées en dessous de 3 K.
• Certains CBE ont la supraconductivité et la super-fluidité, c'est-à-dire le manque d'opposition au passage du courant, ainsi que la viscosité.
• Les atomes du condensat, étant tous dans le même état quantique, présentent l'uniformité dans leurs propriétés.

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Origine du condensat de Bose-Einstein

Lorsque vous avez un gaz verrouillé dans un récipient, généralement les particules qui la composent gardent suffisamment de distance les unes des autres, en interagissant très peu, sauf pour des collisions occasionnelles entre elles et avec les parois du récipient. De là dérive le modèle de gaz idéal bien connu.

Cependant, les particules sont dans une agitation thermique permanente, et la température est le paramètre décisif qui définit la vitesse: à une température plus élevée, le mouvement plus rapide.

Et tandis que la vitesse de chaque particule peut varier, la vitesse moyenne du système reste constante à une température donnée.

Fermions et bosons

Le fait important suivant est que la matière est composée de deux types de particules: les fermions et les bosons, différenciés par spin (moment angulaire intrinsèque), une qualité entièrement quantique.

L'électron, par exemple, est un fermion avec une rotation semi-exceptionnelle, tandis que les bosons ont une rotation entière, rendant leur comportement statistique différent.

Les fermions aiment être différents et donc obéir au principe d'exclusion de Pauli, selon lequel il ne peut pas y avoir deux fermions dans l'atome avec le même état quantique. C'est pourquoi les électrons sont situés dans différentes orbitales atomiques et n'occupent donc pas le même état quantique.

D'un autre côté, les bosons n'adhèrent pas au principe de l'exclusion, ils n'ont donc aucun inconvénient pour occuper le même état quantique.

Double nature de la matière

Un autre fait clé dans la compréhension du CBE est la double nature du problème: l'onde et la particule en même temps.

Les fermions et les bosons peuvent être décrits comme une vague avec une certaine extension dans l'espace. La longueur d'onde λ de cette vague est liée à son élan ou quantité de mouvement p, À travers l'équation de De Broglie:

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Où H est la constante de Planck, dont la valeur est de 6 62607015 × 10^{-3. 4} J.s.

À des températures élevées, l'agitation thermique prédomine, ce qui signifie que l'élan p est grande et longueur d'onde λ est petite. Les atomes montrent ainsi leurs propriétés comme particules.

Mais lorsque la température descend, l'agitation thermique diminue et avec elle l'élan, originaire que la longueur d'onde augmente et les caractéristiques ondulées prévalent. Ainsi, les particules cessent d'être situées, car les ondes respectives augmentent leur taille et se chevauchent les unes avec les autres.

Il y a une certaine température critique sous laquelle les bosons finissent par être à l'état fondamental, qui est l'état avec l'énergie la plus basse (ce n'est pas 0). C'est à ce moment que la condensation se produit.

Le résultat est que les atomes bosoniques ne se distinguent plus et le système devient une sorte de super atome, décrit par une seule fonction d'onde. Il équivaut à le voir à travers une puissante augmentation de la lentille avec laquelle vous pouvez voir ses détails.

Comment obtenez-vous le condensat?

La difficulté de l'expérience réside dans le maintien du système à des températures suffisamment basses, de sorte que la longueur d'onde de De Broglie reste élevée.

Les scientifiques du Colorado l'ont obtenu via un système de refroidissement au laser, qui consiste à frapper l'échantillon d'atome frontalement avec six faisceaux lumineux laser pour les arrêter fortement et ainsi réduire considérablement leur agitation thermique.

Ensuite, les atomes plus froids et plus lents ont été piégés par un champ magnétique, laissant le plus rapide pour refroidir davantage le système.

Peut vous servir: lois Kirchhoff Figure 2.- Distribution de la vitesse des atomes RB dans le CBE. Le pic blanc représente le plus grand nombre d'atomes, avec une vitesse estimée de 0.5 mm / s. Source: Wikimedia Commons.

Les atomes confinés de cette manière ont réussi à se former, pendant quelques instants, une minuscule goutte de CBE, qui a duré suffisamment de temps pour être enregistré dans une image.

Applications et exemples

Les applications CBE sont actuellement en développement et passeront toujours un peu de temps avant.

L'informatique quantique

Le maintien de la cohérence dans les ordinateurs quantiques n'est pas une tâche facile, donc CBE a été proposé comme moyen de maintenir l'échange d'informations entre les ordinateurs quantiques individuels.

Réduction de la vitesse de la lumière

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante de nature, bien que sa valeur dans d'autres milieux, comme dans l'eau, puisse être différente.

Grâce au CBE, il est possible de réduire largement la vitesse de la lumière, jusqu'à 17 m / s, selon certaines expériences. C'est quelque chose qui permettra non seulement de s'approfondir encore plus dans l'étude de la nature de la lumière, mais de son utilisation dans l'informatique quantique pour stocker des informations.

Montres atomiques d'une grande précision

Les atomes froids permettent la création de montres atomiques d'une grande précision, qui subissent des retards minimums en longues périodes, de l'ordre de millions d'années, des qualités très utiles lors de la synchronisation des systèmes GPS.

Simulation des processus cosmologiques

Les forces atomiques générées dans le condensat peuvent aider à simuler les conditions dans lesquelles les processus physiques se produisent dans certains objets notables de l'univers, tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs.

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Chang, R. 2013. Chimie. Onzième édition. McGraw Hill Education.
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5. Tipler, P. 2008. Physique moderne. 5e. Modifier. W. H. Freeman & Company.