Επαναπροσδιορισμός του συμπυκνώματος Bose-Einstein

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 οC), ένας υψηλός αριθμός μποζονίων μπορεί να σχηματίσει μια ασυνήθιστη κατάσταση ύλης, στην οποία ένα μεγάλο μέρος των μποζονίων σε ένα αέριο καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση -τη χαμηλότερη- προκειμένουν να σχηματίσουν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC).
Κατά μία έννοια, τα μποζόνια χάνουν την προσωπική τους ταυτότητα και συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο, πολύ μεγάλο άτομο. Ωστόσο, ενώ προηγουμένως τα BEC έχουν παρατηρηθεί μόνο κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, μια νέα μελέτη του Πανεπιστημίου Καίμπριτζ δείχνει ότι μπορούν να υφίστανται και πάνω από αυτή την κρίσιμη θερμοκρασία, και μάλιστα για περισσότερο από ένα λεπτό, όταν τα διάφορα τμήματα του φυσικού αερίου εξελίσσονται με διαφορετικούς ρυθμούς.
Όπως εξηγούν οι φυσικοί, ένα υπέρθερμο BEC θυμίζει απεσταγμένο νερό πολύ υψηλής θερμοκρασίας, το οποίο παραμένει υγρό πάνω από τους 100 °C, τη θερμοκρασία στην οποία θα έπρεπε κανονικά να εξατμίζεται. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις, η θερμοκρασία, όπως ορίζεται από την μέση ενέργεια ανά σωματίδιο (μποζόνιο ή μόριο νερού)- αυξάνεται πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία στην οποία θα πρέπει να συμβεί η μετάβαση φάσης, και όμως αυτή δεν πραγματοποιείται.
Στα BEC και στο απεσταγμένο νερό, η αναστολή της μετάβασης φάσης στην κρίσιμη θερμοκρασία συμβαίνει για διαφορετικούς λόγους. Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν δύο τύποι μετάβασης φάσης. Ο βρασμός του νερού είναι μία μετάβαση φάσης πρώτου βαθμού, και μπορεί να ανασταλεί σε καθαρό νερό, καθώς σε περίπτωση απουσίας ακαθαρσιών, υπάρχει ένα ενεργειακό φράγμα που "προστατεύει" το υγρό από το βρασμό. Από την άλλη πλευρά, ο βρασμός ενός BEC είναι μία μετάβαση φάσης δεύτερου βαθμού. Σε αυτή την περίπτωση, η υπερθέρμανση παρουσιάζεται επειδή το BEC και το υπόλοιπα θερμικά (μη συμπυκνωμένα) στοιχεία σταματάνε τη σύζευξή τους και εξελίσσονται ως δύο ξεχωριστά συστήματα ισορροπίας.

Στην ισορροπία, ένα BEC μπορεί να υπάρξει μόνο κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία μετάπτωσης. Εάν η θερμοκρασία αυξάνεται προς την κρίσιμη τιμή, το BEC πρέπει σταδιακά να διασπαστεί σε θερμικές συνιστώσες. Τα σωματίδια ρέουν μεταξύ των δύο συστατικών έως ότου αποκτήσουν το ίδιο χημικό δυναμικό (ένα μέτρο του πόση ενέργεια χρειάζεται για να προστεθεί ένα σωματίδιο σε κάθε συνιστώσα), ή με άλλα λόγια, μέχρι να είναι σε ισορροπία το ένα με το άλλο. Ωστόσο, η διατήρηση αυτής της ισορροπίας σχετίζεται με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων.

Μελέτη του Πανεπιστημίου Καίμπριτζ δείχνει ότι BEC μπορούν να υφίστανται και πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία.Οι ερευνητές απέδειξαν χρησιμοποιώντας ένα οπτικά παγιδευμένο κάλιο-39 σε αέρια μορφή, ότι η δύναμη των αλληλεπιδράσεων μπορεί να μειωθεί αρκετά, τόσο ώστε τα δύο συστατικά να παραμένουν στην ίδια θερμοκρασία, αλλά η ροή των σωματιδίων μεταξύ τους να επιβραδύνεται. Αυτή η κατάσταση καθιστά δυνατό για το BEC να διατηρεί ένα υψηλότερο χημικό δυναμικό από τα περιβάλλοντα θερμικά στοιχεία, και έτσι να επιβιώνει πολύ πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης ισορροπίας του.

Στη νέα μελέτη, οι φυσικοί απέδειξαν πειραματικά ότι ένα BEC μπορούν να επιβιώσει σε θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία για περισσότερο από ένα λεπτό. Απέδειξαν επίσης ότι μπορούν να προκαλέσουν το BEC να φτάσει γρήγορα το σημείο βρασμού, ενισχύοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων στα φυσιολογικά επίπεδα τους.

Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι ελέγχοντας και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής ενός BEC, θα προκύψουν πολλές μελλοντικές εφαρμογές. «Σε γενικές γραμμές, τα BEC χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο για εφαρμογές όπως η συμβολομετρία ατόμων και οι μετρήσεις ακριβείας, και θα μπορούσαν επίσης να βρουν εφαρμογές στην επεξεργασία της κβαντικής πληροφορίας», δήλωσε ο Ρόμπερτ Σμιθ, μέλος της επιστημονικής ομάδας.

Πηγή: Ναυτεμπορική