Ich erforsche niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und insbesondere Bose-Einstein-Kondensat. Es gibt viele Forschungsinformationen, aber sie sind verwirrend und werden nicht erklärt.
Technisch gesehen wird ein BEC aus einem Gas oder einer Flüssigkeit bei irgendwo unter 1K gebildet. Die einzigen drei Elemente, die bei <1k noch in flüssigem Zustand sein könnten, sind Helium, Wasserstoff und Neon. Wasserstoff und Neon müssten unter atmosphärischem Druck stehen. Dies sind also die einzigen drei Elemente, die in ihrem natürlichen Zustand zu BECs werden können.
Die meisten Experimente mit anderen Elementen sind nicht in ihrem natürlichen Zustand, sondern werden unter Verwendung eines nicht natürlichen Dampfes der Atome des Elements durchgeführt.
Es scheint mir, dass Helium das einzige Element ist, das bei atmosphärischem Druck auf natürliche Weise zu einem BEC wird, aber selbst Wiki., wenn es über die seltsamen Eigenschaften von Helium spricht, unterhalb seines Lambda-Punkts, erwähnt nicht, dass es zu einem BEC wird.
Meine Fragen sind:
Danke,
Clive Ballard
Ein schnelles Google schlägt vor, dass der Tripelpunkt von Wasserstoff 13,8 K und der Tripelpunkt von Neon 24,6 K beträgt, sodass beides nicht als Flüssigkeiten bei Temperaturen existieren kann, die niedrig genug sind, um BECs zu bilden.
Sie verwenden in Ihrer Frage mehrmals das Wort "natürlich", aber es ist nicht klar, was dies bedeutet. Der flüssige Zustand hat nichts besonders Natürliches. Wenn Sie das Plasma in Sternen als Gas betrachten, ist der "natürlichste" Zustand ein Gas - nun, ich nehme an, ein Plasma.
Beantwortung Ihrer konkreten Fragen:
Ein BEC bedeutet nur, dass sich der Großteil des Systems im niedrigsten Quantenzustand befindet. Jedes Gas oder jede Flüssigkeit wird dies tun, wenn Sie die Temperatur ausreichend senken, obwohl Helium das einzige Element ist, das bei der erforderlichen Temperatur flüssig ist. So wird Helium bei niedriger Temperatur zu einem BEC. Ich bin mir nicht sicher, was Fragen der Natürlichkeit in diesem Zusammenhang bedeuten.
Wasserstoff und Neon bleiben bei Temperaturen, die niedrig genug sind, um ein BEC zu bilden, nicht flüssig. Ein BEC wurde aus gasförmigem Wasserstoff hergestellt (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v81/i18/p3811_1). Ich konnte keine Hinweise auf die Kondensation von Neon finden, aber das kann einfach daran liegen, dass die Experimentatoren noch nicht dazu gekommen sind.
Helium ist das einzige bekannte flüssige BEC. Ich würde vermuten, dass es das einzig mögliche flüssige BEC ist, aber das Universum ist ein seltsamer Ort, also würde ich nicht mein Leben darauf verwetten.
Der Grund, warum es nicht als BEC bezeichnet wird, liegt darin, dass Helium nicht verdünnt ist, also kein reines Gas. Die Wechselwirkungen im Helium machen es zu einer BEC-Flüssigkeit, nicht zu einem BEC-Gas, und wenn die Atome in einem flüssigen Zustand dicht gepackt sind, wird es traditionell nicht als BEC, sondern als Superfluid bezeichnet. Die Beschreibung eines Suprafluids erfolgt mit einer Grundzustandswellenfunktion mit konstanter mittlerer Dichte, deren Peturbationen langwellige Phasenänderungen sind, die einen Superflow ergeben. Dies wird in Feynmans He4-Arbeit aus den 1950er Jahren beschrieben.
Ein verdünntes BEC-Gas wird durch die Gross-Pitaevsky-Gleichung beschrieben, die in der Feldgrenze nur die Schrödinger-Feldgleichung ist. Es ermöglicht Dichteänderungen von Punkt zu Punkt, und diese Dichtestörungen sind nicht besonders stark, da das Gas verdünnt ist, sondern werden durch die Schrödinger-Feldgleichung beschrieben.
Im Gegensatz zu He ist Wasserstoff ein Molekül und bildet kein BEC, sondern einen Kristall. Neon hat zu viele Elektronen, die anziehenden Van-Der-Waals-Kräfte führen zu einer Kristallisation, nicht zu einer Flüssigkeit. Nur Helium ist am absoluten Nullpunkt superflüssig.
Wenn Sie jedoch verdünnte bosonische Atome verwenden, können Sie ein BEC herstellen, das gegenüber Kristallisation metastabil ist. Dieses Verfahren kümmert sich nicht zu sehr um den stabilen thermodynamischen Zustand, da es die Verdünnung und Kohärenz ausnutzt, um einen langlebigen metastabilen Zustand herzustellen.
Bisher wurde die Bose-Einstein-Kondensation experimentell in verdünnten Gasen von Rubidium, Natrium, Lithium, Wasserstoff und metastabilem Helium realisiert. Die ersten drei sind spinpolarisierte Boson-Alkaliatome [Sie müssen in diesen Atomen einen Spin ungleich Null haben, um sie in magnetischen Fallen ausreichend kühlen zu können, aus diesem Grund können Sie die Temperatur von Neongasen nicht ausreichend senken, um dies zu können Verdunstungskühlung zu machen. Es gibt keinen prinzipiellen Beweis dafür, warum ein Neongas nicht kondensieren würde, wenn Sie die Temperatur weit genug senken, wir haben nur keinen Weg gefunden, dies zu tun.]. Der Fall von Helium ist anders, weil es das einzige dieser Elemente ist, das bei den Kondensationstemperaturen flüssig ist. Dies impliziert auch Suprafluidität.
Die Temperatur von K, von dem Sie in Ihrer Frage sprechen, ist völlig willkürlich und hat nichts mit der Kondensation des obigen Heliums zu tun. Unterhalb der Lambda-Temperatur ist Helium superflüssig K.
Tomáš Brauner