Was sind die wichtigsten praktischen Anwendungen, die ein Bose-Einstein-Kondensat haben kann?
Ich nehme an, Sie meinen das relativ neue Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten atomaren Dämpfen (erstmals 1995 in Colorado erzeugt). Das Gesamtphänomen der Bose-Einstein-Kondensation ist eng mit der Supraleitung verbunden (in einem sehr losen Sinn kann man sich den supraleitenden Übergang in einem Metall als die Bildung eines BEC von Elektronenpaaren vorstellen), und diese Anwendung würde alles andere übertrumpfen.
Die primäre Anwendung atomarer BEC-Systeme liegt derzeit im Bereich der Grundlagenforschung und wird dies voraussichtlich auch in absehbarer Zeit bleiben. Man hört manchmal Leute von BEC als Werkzeug für die Lithografie oder ähnliches sprechen, aber das wird wahrscheinlich in absehbarer Zeit keine echte kommerzielle Anwendung, weil der Durchsatz einfach zu gering ist. Niemand hat eine Methode zur Generierung von BEC in der Art von Rate, die Sie benötigen würden, um interessante Geräte in angemessener Zeit herzustellen. Infolgedessen werden die meisten BEC-Anwendungen auf das Labor beschränkt sein.
Einer der derzeit heißesten Bereiche in BEC ist die Verwendung von Bose-Kondensaten (und dem verwandten Phänomen entarteter Fermi-Gase) zur Simulation von Systemen aus kondensierter Materie. Sie können aus einem Interferenzmuster mehrerer Laserstrahlen leicht ein "optisches Gitter" erstellen, das für die Atome ähnlich aussieht wie ein Kristallgitter in einem Festkörper für Elektronen: eine regelmäßige Anordnung von Stellen, an denen die Teilchen eingefangen werden könnten, mit allen Stellen durch Tunnelbau miteinander verbunden. Der große Vorteil von BEC/optischen Gittersystemen gegenüber realen Systemen aus kondensierter Materie besteht darin, dass sie leichter durchstimmbar sind. Sie können den Gitterabstand, die Stärke der Wechselwirkung zwischen Atomen und die Anzahldichte der Atome im Gitter leicht variieren, wodurch Sie eine Reihe verschiedener Parameter mit im Wesentlichen derselben Probe untersuchen können. Dies ist bei Systemen mit kondensierter Materie sehr schwierig, bei denen Sie für jeden neuen Satz von Werten, die Sie untersuchen möchten, alle neuen Proben anbauen müssen. Infolgedessen gibt es viel Arbeit bei der Verwendung von BEC-Systemen zur Erforschung der Physik der kondensierten Materie, wobei kalte Atome im Wesentlichen wie Elektronen aussehen. Es gibt einen guten Übersichtsartikel, der jetzt ein paar Jahre alt ist, von Immanuel Bloch, Jean Dalibard und Wilhelm Zwerger (RMP-Papier , arxiv-Version ), das einen Großteil dieser Arbeit abdeckt. Und die Leute erweitern weiterhin das Spektrum der Experimente – es gibt eine Menge Arbeit, die sich zum Beispiel damit befasst, wie sich das Hinzufügen von Unordnung zu diesen Systemen auswirkt, und die Leute haben begonnen, Gitterstrukturen jenseits der wirklich einfach herzustellenden quadratischen Gitter der frühesten zu erforschen Arbeit.
Auch für mögliche Anwendungen in der Präzisionsmessung besteht großes Interesse an BEC. Im Moment stammen einige der empfindlichsten Detektoren, die jemals für Dinge wie Rotation, Beschleunigung und Gravitationsgradienten hergestellt wurden, aus der Atominterferometrie, die die wellenartigen Eigenschaften von Atomen nutzt, um Interferenzexperimente durchzuführen, die kleine Verschiebungen messen, die durch diese Effekte hervorgerufen werden. BEC-Systeme können eine Verbesserung bieten, die über das hinausgeht, was Sie mit Wärmestrahlen von Atomen in dieser Art von Systemen erreichen können. Es gibt eine Reihe von Problemen, die in Bezug auf interatomare Wechselwirkungen ausgearbeitet werden müssen, aber es ist ein vielversprechender Bereich. Vollständige Offenlegung: Meine Postdoc-Forschung bezog sich auf diesen allgemeinen Bereich, obwohl ich eher eine Prinzipnachweis-Demonstration als eine echte Präzisionsmessung durchgeführt habe. Mein alter Chef, Mark Kasevich, jetzt in Stanford, arbeitet viel in diesem Bereich.
Der andere wirklich heiße Bereich der BEC-Forschung ist die Suche nach Möglichkeiten, BEC-Systeme für die Quanteninformationsverarbeitung einzusetzen. Wenn Sie einen Quantencomputer bauen möchten, brauchen Sie einen Weg, um mit einer Reihe von Qubits zu beginnen, die sich alle im selben Zustand befinden, und ein BEC könnte ein guter Weg sein, um dorthin zu gelangen, da es aus einer makroskopischen Anzahl von Atomen besteht, die sich besetzen denselben Quantenzustand. Es gibt eine Reihe von Gruppen, die daran arbeiten, mit einem BEC zu beginnen, die Atome auf irgendeine Weise zu trennen und sie dann zu manipulieren, um einfache Quantencomputeroperationen durchzuführen.
Es gibt viele Überschneidungen zwischen diesen Sub-Sub-Bereichen – eine der besten Möglichkeiten, die Qubits für die Quanteninformationsverarbeitung zu trennen, ist beispielsweise die Verwendung eines optischen Gitters. Aber das sind, was ich die größten aktuellen Anwendungen der BEC-Forschung nennen würde. Keines davon wird wahrscheinlich in naher Zukunft ein kommerzielles Produkt liefern, aber sie alle liefern nützliche Informationen über das Verhalten von Materie in sehr kleinen Maßstäben, die dazu beitragen, in andere, angewandtere Forschungsrichtungen einzufließen.
Dies ist keineswegs eine umfassende Liste der Dinge, die die Leute mit BEC machen, sondern nur einige der beliebtesten Bereiche der letzten Jahre.
Die Bose-Kondensation ist interessant, weil es sich um einen quantenmechanischen Effekt handelt, der oft zu makroskopischen Objekten mit ungewöhnlichen Eigenschaften führt.
Zunächst wird angenommen, dass die Bose-Kondensation für Phänomene wie Suprafluidität und Supraleitung verantwortlich ist . Ich denke nicht, dass ich die technologische und, nun ja, "kognitive" Bedeutung dieser erklären sollte.
Aber ich vermute, Sie interessieren sich hauptsächlich für das Bose-Kondensat – eine Atomwolke aus gewöhnlicher (etwas gasförmiger), aber sehr kalter Materie in einer optischen/magnetischen Falle. Die Physik ist derzeit ein sich schnell entwickelndes Gebiet, daher können meine Informationen nicht die aktuellsten sein. Ich weiß, dass die Leute darüber nachgedacht haben, Folgendes zu machen:
Und natürlich ist die bizarrste Anwendung, die die Leute in Betracht ziehen, ein Quantencomputing. Ich weiß, dass es den Leuten gelungen ist, diese Fallen so klein wie 1 cm zu machen. Und dass sie mehrere Wolken in einer Falle machten, die durch Spinverschränkung miteinander "interagierten": siehe zB hier .
In jüngerer Zeit wurden sie als Anordnung kostengünstiger Gravitationswellendetektoren vorgeschlagen .
Es eignet sich gut für die Herstellung sehr empfindlicher Messinstrumente und vielleicht für die Herstellung winziger Strukturen, wie sie in Computerchips verwendet werden.
Kostja
Andy Bale
Benutzer346