O condensado de Bose Einstein (CBE) é um estado de agregação da matéria, assim como os estados usuais: gasoso, líquido e sólido, mas que ocorre a temperaturas extremamente baixas, muito próximas do zero absoluto.
Consiste em partículas chamadas bósons, que nessas temperaturas estão localizadas no estado quântico de menor energia, chamado estado fundamental. Albert Einstein previu essa circunstância em 1924, após ler os artigos enviados a ele pelo físico hindu Satyendra Bose sobre as estatísticas de fótons..
Não é fácil obter em laboratório as temperaturas necessárias para a formação do condensado de Bose-Einstein, por isso foi necessário esperar até 1995 para ter a tecnologia necessária..
Naquele ano, os físicos norte-americanos Eric Cornell e Carl Wieman (Universidade do Colorado) e mais tarde o físico alemão Wolfgang Ketterle (MIT), conseguiram observar os primeiros condensados de Bose-Einstein. Os cientistas do Colorado usaram rubídio-87, enquanto Ketterle o fez através de um gás altamente diluído de átomos de sódio..
Graças a esses experimentos, que abriram as portas para novos campos de pesquisa na natureza da matéria, Ketterle, Cornell e Wieman receberam o Prêmio Nobel em 2001..
E é que as temperaturas muito baixas permitem que os átomos de um gás com certas características formem um estado tão ordenado que todos eles conseguem adquirir a mesma redução de energia e quantidade de movimento, o que não ocorre na matéria comum..
Vejamos as principais características do condensado de Bose-Einstein:
Quando você tem um gás encerrado em um recipiente, normalmente as partículas que o compõem mantêm distância suficiente umas das outras, interagindo muito pouco, exceto por ocasionais colisões entre elas e com as paredes do recipiente. Daí deriva o conhecido modelo de gás ideal.
Porém, as partículas estão em permanente agitação térmica, e a temperatura é o parâmetro decisivo que define a velocidade: quanto maior a temperatura, mais rápido elas se movem..
E embora a velocidade de cada partícula possa variar, a velocidade média do sistema permanece constante em uma determinada temperatura..
O próximo fato importante é que a matéria é composta de dois tipos de partículas: férmions e bósons, diferenciados pelo spin (momento angular intrínseco), uma qualidade inteiramente quântica..
O elétron, por exemplo, é um férmion com spin semi-inteiro, enquanto os bósons têm spin inteiro, o que torna seu comportamento estatístico diferente..
Os férmions gostam de ser diferentes e por isso obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, segundo o qual não pode haver dois férmions no átomo com o mesmo estado quântico. Por este motivo os elétrons estão localizados em orbitais atômicos diferentes e, portanto, não ocupam o mesmo estado quântico..
Por outro lado, os bósons não aderem ao princípio de exclusão, então eles não têm nenhum problema em ocupar o mesmo estado quântico.
Outro fato importante para entender o CBE é a natureza dual da matéria: onda e partícula ao mesmo tempo..
Tanto os férmions quanto os bósons podem ser descritos como ondas com certa extensão no espaço. Comprimento de onda λ desta onda está relacionada ao seu impulso ou impulso p, por meio da equação de De Broglie:
Onde h é a constante de Planck, cujo valor é 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
Em temperaturas elevadas, a agitação térmica predomina, o que significa que o momento p é grande e o comprimento de onda λ é pequena. Os átomos, portanto, mostram suas propriedades como partículas.
Mas quando a temperatura cai, a agitação térmica diminui e com ela o momentum, fazendo com que o comprimento de onda aumente e as características de onda prevaleçam. Assim, as partículas não são mais localizadas, pois as respectivas ondas aumentam de tamanho e se sobrepõem..
Existe uma certa temperatura crítica sob a qual os bósons terminam no estado fundamental, que é o estado com a energia mais baixa (não é 0). É quando ocorre condensação.
O resultado é que os átomos bosônicos não são mais distinguíveis e o sistema se torna uma espécie de superatomo, descrito por uma única função de onda. É equivalente a visualizá-lo através de uma poderosa lente de aumento com a qual seus detalhes podem ser apreciados.
A dificuldade do experimento está em manter o sistema em temperaturas baixas o suficiente para que o comprimento de onda de De Broglie permaneça alto..
Os cientistas do Colorado conseguiram isso usando um sistema de resfriamento a laser, que consiste em atingir a amostra de átomos de frente com seis feixes de luz laser para abruptamente desacelerá-los e, assim, diminuir drasticamente sua agitação térmica..
Então, os átomos mais frios e lentos foram capturados por um campo magnético, permitindo que os mais rápidos escapassem para resfriar ainda mais o sistema..
Os átomos assim confinados conseguiram formar, por breves instantes, uma minúscula gota de CBE, que durou tempo suficiente para ser registrada em uma imagem..
Os aplicativos CBE estão atualmente em pleno desenvolvimento e ainda levará algum tempo antes que se materializem..
Manter a consistência em computadores quânticos não é uma tarefa fácil, razão pela qual os CBEs foram propostos como um meio de manter a troca de informações entre computadores quânticos individuais..
A velocidade da luz no vácuo é uma constante da natureza, embora seu valor em outros meios, como a água, possa ser diferente.
Graças aos CBEs é possível reduzir bastante a velocidade da luz, até 17 m / s, de acordo com alguns experimentos. É algo que não só nos permitirá ir ainda mais fundo no estudo da natureza da luz, mas também seu uso na computação quântica para armazenar informações..
Os átomos frios permitem a criação de relógios atômicos de alta precisão, que apresentam atrasos mínimos durante longos períodos da ordem de milhões de anos, qualidades muito úteis na sincronização de sistemas GPS..
As forças atômicas geradas no condensado podem ajudar a simular as condições sob as quais os processos físicos ocorrem dentro de alguns objetos notáveis no universo, como estrelas de nêutrons e buracos negros..
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