De tre aggregationstillstånden fast, flytande och gas är självklara delar av fysiken. Fysikläraren kanske också har nämnt något om plasma – en joniserad gas där elektronerna slitits ut ur sina orbitaler – som det fjärde tillståndet. Det existerar även ett femte aggregationstillstånd med extremt sällsynta och intressanta egenskaper, ett så kallat Bose–Einstein-kondensat.
Ett Bose–Einstein-kondensat är kort och gott en extremt nedkyld gas som genomgår speciella kvanteffekter, där atomerna börjar bete sig som en enda enhet eller “superatom”. Den största skillnaden jämfört med de primära tillstånden är att dessa kondensat inte uppstår naturligt, utan endast under kontrollerade förhållanden.
Bakgrunden till denna markanta upptäckt ligger i ett samarbete mellan två av historiens mest betydelsefulla vetenskapsmän: matematikern Satyendra Nath Bose och Albert Einstein. Bose publicerade år 1924 en banbrytande avhandling inom kvantstatistik som beskrev observationsmönstret hos ett kvanta, eller grupp, av fotoner, det vill säga elementära ljuspartiklar. Han utgick från att fotonerna kunde beskrivas som en gas bestående av identiska partiklar. Einstein, som blev djupt imponerad av avhandlingen, formulerade senare om Boses teori för att kunna applicera den till hela atomer. Einstein förutspådde därmed existensen av en extremt lågenergisk typ av materia eller kondensat.
1995 lyckades forskare från University of Colorado och MIT för första gången producera Bose–Einstein-kondensat. Forskarna Erik Cornell och Carl Wieman från University of Colorado skapade kondensatet genom att kyla ner en gas av grundämnet rubidium till enbart några få nanokelvin över den absoluta nollpunkten.
I fysiken existerar två huvudsakliga grupperingar av elementära partiklar: bosoner och fermioner. Bosoner beskrivs generellt som de “kraftbärande” partiklarna medan fermioner i enkla termer kan beskrivas som materiabyggande. Ett annat viktigt sätt att frånskilja dem är spinntal. Spinntal beskriver en partikels orientering i rummet eller dess vinkelmoment, som är en kvantitet som bevaras likt massa eller energi. Bosoner har hela spinntal som exempelvis 1, 2 och 0, medan fermioner har halvtaliga spinntal, till exempel 1/2 för elektroner. Den viktigaste underliggande regeln är att bosoner inte följer Paulis uteslutningsprincip, vilket betyder att ett oändligt antal av dessa partiklar kan ockupera vilken kvantenerginivå som helst. Däremot följer fermioner denna regel, vilket bland annat är anledningen till varför enbart två elektroner kan dela en orbital runt atomkärnan.
Einstein förutspådde att om ett partikelsystem hos en ideal gas (det vill säga en teoretisk gas med ourskiljbara partiklar) skulle kylas ner tillräckligt, skulle samtliga bosoner behöva ockupera den lägsta energinivån och därmed bli identiska och oskiljbara från varandra. Atomerna uppvisar då egenskaper som vanligtvis bara kan observeras hos enskilda partiklar. Fermionsystem som exempelvis Helium-3-atomer kan också undergå kondensatprocessen om de uppnår bosonliknande stadier med spinntal av 0. Generellt bildas denna artificiella form av materia främst av bosoner nära den absoluta nollpunkten då dessa partiklar får egenskaperna hos ett enda kvantmekaniskt objekt som kan beskrivas av en singulär vågfunktion. En ungefärlig liknelse kan göras med när ett antal separata pendlar efter en tid synkroniseras och börjar ticka som en gemensam pendel och därmed får gemensamma värden för exempelvis period och amplitud.
En av de mest intressanta egenskaperna hos Bose–Einstein-kondensat är att de kan sakta ner ljusets hastighet. 1999 lyckades fysikern Lene Hau och hennes kollegor på Harvard University minska ljusets hastighet i ett Bose–Einstein-kondensat bestående av extremt kalla natriumatomer. Ljusets hastighet i vakuum minskade från ungefär 300 000 000 m/s till 17 m/s. 2001 fick Hau och hennes team ljuset att stanna helt inom ett sådant kondensat. 2018 lyckades NASA framställa ett kondensat i omloppsbana ombord på ISS (International Space Station) då processen att observera denna form av materia kräver viktlöshet, vilket begränsar observationstiden på jordytan.
NASA/JPL-Caltech
Dessa framsteg är betydelsefulla då egenskaperna hos sådana material kan appliceras praktiskt till exempelvis informationslagring och kvantdatorer, det vill säga datorer som utöver de normala ettorna och nollorna har ett läge som är en etta och en nolla samtidigt. Den extrema processen runt hur Bose–Einstein-kondensat skapas och upprätthålls orsakar visserligen flera svåra problem – men de är inte omöjliga att lösa.
Källor som användes i den här artikeln
Cofield, Calla, “NASA’s Cold Atom Lab Takes One Giant Leap for Quantum Science”, NASA, https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-cold-atom-lab-takes-one-giant-leap-for-quantum-science
Johnston, Hamish, “Slowed light breaks record”, Physics World, https://physicsworld.com/a/slowed-light-breaks-record/
Ketterle, Wolfgang; Stringari, Sandro; Townsend, Christopher, “Bose-Einstein condensation”, Physics World, https://physicsworld.com/a/bose-einstein-condensation/
Ornes, Stephen, “How Bose–Einsten condensates keep revealing weird physics”, PNAS, https://www.pnas.org/content/114/23/5766
Perkowitz, Sidney, “Bose-Einstein-condensate”, Britannica, https://www.britannica.com/science/Bose-Einstein-condensate