Bose-Einstein kondenserar, kallas ofta "materiens femte tillstånd, "erhålls när atomer kyls nästan till absolut noll. Under dessa förhållanden, partiklarna har inte längre fri energi att röra sig i förhållande till på en annan, och några av dessa partiklar, kallas bosoner, faller i samma kvanttillstånd och kan inte särskiljas individuellt. Vid denna tidpunkt, atomerna börjar lyda vad som kallas Bose-Einstein-statistik, som vanligtvis appliceras på identiska partiklar. I ett kondensat från Bose-Einstein, hela gruppen av atomer beter sig som om det vore en enda atom.
Bose-Einstein-kondensat förutspåddes och teoretiskt beräknades först av Satyendra Nath Bose och Albert Einstein 1924, men det var inte förrän 1995 som Eric A. Cornell, Carl E. Wieman och Wolfgang Ketterle lyckades tillverka en med ultrakyld rubidiumgas, för vilka alla tre fick Nobelpriset i fysik 2001.
Forskning genom ett internationellt samarbete producerade nyligen motsvarigheten till ett Bose-Einstein-kondensat med hjälp av den kemiska föreningen nickelklorid. Mer viktigt, teoretisk behandling av data gjorde det möjligt för forskarna att få en uppsättning ekvationer som kan tillämpas på andra material som inte karakteriseras som Bose-Einstein-kondensat.
Armando Paduan Filho, Full professor vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, deltog i studien. "Vid temperaturer nära absolut noll och i närvaro av ett mycket intensivt magnetfält, nickelklorid beter sig som ett Bose-Einstein-kondensat, så att egenskaperna hos en stor grupp atomer kan beskrivas med en enda ekvation, en enkelvågsfunktion, "Berättade Paduan Filho.
Denna upptäckt möjliggör beräkningar som annars skulle vara opraktiska. Till exempel, magnetmomentet i en makroskopisk kropp kan teoretiskt beräknas som summan av dess magnetiska moment i dess atomer, men i praktiken, denna beräkning är inte genomförbar på grund av det stora antalet atomer och interaktioner som är inblandade. "Ett sätt att lösa problemet är att använda statistik över kvantmekanik. I det här fallet, vi måste tänka på atomer inte som punkter eller fasta ämnen utan som vågor, "Sade Paduan Filho.
I bosoner, d.v.s. i material som lyder Bose-Einsteins statistik, alla vågor associerade med partiklarna som de förmodligen består av är lika. Under tiden, desto lägre temperatur på ett material, ju längre våglängderna för dess bestående partiklar, och när materialets temperatur närmar sig absolut noll, våglängderna ökar tills alla vågor överlappar varandra. "Så vi har en situation där alla vågor är lika och överlappar varandra, och vi kan därför representera dem alla som en enda våg. Energiutsläpp och el, magnetisk, termisk, lysande och andra egenskaper kan beräknas med hjälp av en enkelvågsfunktion, " han förklarade.
När forskarna studerade nickelklorid, de fann att när materialet kyldes nästan till absolut noll och utsattes för ett starkt magnetfält, dess atomer betedde sig som bosoner och det kunde därför karakteriseras som ett Bose-Einstein-kondensat. "Det faktum att atomerna kan uppfattas som vågor är ett experimentellt fynd som bekräftar teorin, medan man säger att de bildar ett Bose-Einstein-kondensat kommer från att tillämpa ett teoretiskt instrument för att förklara de observerade egenskaperna, " han sa.
Fysiker vid University of São Paulo (USP) har undersökt nickelklorids magnetiska egenskaper i mer än ett decennium. "I vissa material, atomernas magnetiska ögonblick är oordning vid rumstemperatur men ordnat när materialet kyls. Vi upptäckte att denna ordning inte sker i nickelklorid, men vid mycket låga temperaturer och i närvaro av ett högt magnetfält, den uppvisar ett inducerat magnetmoment, "Sade Paduan Filho.
Utredningen fortsatte genom samarbete med flera utländska institutioner, såsom National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) i Los Alamos, USA, och den liknande namnet franska anläggningen i Grenoble (LNCMI), bland andra. Dessa partnerskap gjorde det möjligt för forskarna att nå temperaturer i storleksordningen 1 millikelvin - en tusendelsgrad över absolut noll - och att använda tekniker som kärnmagnetisk resonans (NMR) för att studera materia på atom- och subatomära skalor. Så här lyckades forskarna karakterisera ultrakallt nickelklorid som ett Bose-Einstein-kondensat.
"Förutom dessa experiment, vårt samarbete gav också konsekvent teoretiskt arbete, och vi kom fram till en uppsättning ekvationer som, med några transpositioner, kan appliceras på andra material förutom kondensat, "Sade Paduan Filho. Användningen av dessa ekvationer erbjuder utmärkta utsikter, inte bara för grundforskning i materiens struktur utan också för framtida tekniska tillämpningar, eftersom många dagliga enheter fungerar på grundval av magnetiska egenskaper.
