Calimero0000: uma edição

2013-05-03T11:41:08Z

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O '''Condensado de Bose-Einstein''' é uma [[fase da matéria]] formada por [[bósons]] a uma temperatura muito próxima do [[zero absoluto]]. Nestas condições, uma grande fracção de [[átomo]]s atinge o mais baixo [[estado quântico]], e nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. A existência deste estado da matéria como consequência da [[mecânica quântica]] foi inicialmente prevista por [[Albert Einstein]] em [[1925]], no seguimento do trabalho efetuado por [[Satyendra Nath Bose]]. O primeiro condensado deste tipo foi produzido setenta anos mais tarde por [[Eric Cornell]] e [[Carl Wieman]] em [[1995]], na [[Universidade de Colorado]] em [[Boulder (Colorado)|Boulder]], usando um gás de átomos de [[rubídio]] arrefecido a 170 [[nano]][[kelvin]]s (nK).

[[Ficheiro:Bose Einstein condensate.png|right|thumb|350px|Dados de distribuição de velocidade confirmando a descoberta de um novo estado da matéria, o Condensado de Bose-Einsten, a partir de um gás de Rubídio]]

== Descrição detalhada do gráfico de distribuição de velocidades ==
As cores artificiais representam o número de átomos em cada velocidade, indicando o vermelho menos átomos e o branco mais átomos. As áreas em que aparecem branco e azul claro são velocidades menores. Esquerda: Logo antes do aparecimento do condensado de Bose-Einstein. Centro: No instante do aparecimento do condensado. Direita: após a rápida evaporação, deixando amostras puras do condensado. O pico não é infinitamente estreito devido ao [[Princípio da incerteza de Heisenberg|Princípio da Incerteza de Heisenberg]]: quando um átomo é retido numa região específica do espaço a sua distribuição de velocidade possui necessariamente uma certa largura mínima.

== Introdução ==

Os condensados de Bose-Einstein são [[fluido]]s de baixas temperaturas com propriedades não totalmente compreendidas, como fluir espontaneamente para fora do seu recipiente. Este efeito é uma consequência da [[mecânica quântica]], que postula que qualquer sistema só pode adquirir energia em quantidades discretas. Se um sistema está a uma temperatura tão baixa que esteja no seu estado de energia mínima, não é possível reduzir a sua [[energia]], nem sequer por [[fricção]]. Assim sendo, sem fricção, o fluido facilmente supera a [[gravidade]] devido às forças de adesão entre o fluido e a parede do seu recipiente e tomará a posição mais favorável, ou seja, a toda a volta do recipiente.

== Teoria ==
O abrandamento de átomos por meio de [[arrefecimento]] produz um estado quantico único conhecido como '''condensado de Bose''' ou '''condensado de Bose-Einstein'''. Este fenômeno foi teorizado nos anos 20 por [[Albert Einstein]], ao generalizar o trabalho de [[Satyendra Nath Bose]] sobre a [[mecânica estatística]] dos [[Fóton]]s (sem [[massa]]) para [[átomo]]s (com massa). (O manuscrito de Einstein, que se pensava estar perdido, foi encontrado em 2005 numa [[biblioteca]] da [[Universidade de Leiden]]). O resultado do trabalho de Bose e Einstein é o conceito de [[gás de Bose]], governado pela [[estatística de Bose-Einstein]] que descreve a distribuição estatística de partículas idênticas de [[spin]] inteiro, conhecidas hoje em dia como [[Bóson]]s. As partículas bosónicas, que incluem o [[Fóton]] e átomos como o [[hélio]]-4 podem partilhar estados quânticos umas com as outras. Einstein especulou que arrefecendo os átomos bosónicos até temperaturas muito baixas os faria colapsar (ou "condensar") para o mais baixo estado quântico acessível, resultando numa nova forma de matéria.

Esta transição ocorre abaixo de uma temperatura crítica, a qual, para um gás tridimensional uniforme consistindo em partículas não-interactivas e sem graus internos de liberdade aparentes, é dada por:

:<math>T_c=\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3}\frac{h^2}{2\pi m k_B}</math>

onde:

<dl><dd>
{|cellspacing="0" cellpadding="0"
|-
| <math>T_c</math>
|  é 
| a temperatura crítica,
|-
| <math>n</math>
|
| a densidade da partícula,
|-
| <math>m</math>
|
| a massa por bóson,
|-
| <math>h</math>
|
| a [[constante de Planck]],
|-
| <math>k_B</math>
|
| a [[constante de Boltzmann]], e
|-
| <math>\zeta</math>
|
| a [[função zeta de Riemann]]; <math>\zeta(3/2)</math> ≈ 2.6124.
|}
</dd></dl>

== Descoberta ==
{{Sem-notas|data={{ucfirst:junho de 2009}}}}
Em [[1938]], [[Pyotr Leonidovich Kapitsa|Pyotr Kapitsa]], [[John F. Allen|John Allen]] e [[Don Misener]] descobriram que o [[Hélio|hélio-4]] se transformava num novo tipo de fluido, hoje conhecido como um [[superfluido]], a temperaturas abaixo dos 2,17 kelvin (K) ([[ponto lambda]]). O hélio superfluido tem muitas propriedades invulgares, incluindo [[viscosidade]] zero (a propriedade de fluir sem dissipar energia) e a existência de vórtices quantizados. Rapidamente se percebeu que esta natureza superfluida era devida à condensação de Bose-Einstein dos átomos de hélio-4, que são bósons (ou bosões, no português de Portugal). De facto, muitas das propriedades do hélio superfluido aparecem também nos condensados de Bose-Einstein gasosos criados por Cornell, Wieman e Ketterle (ver abaixo). No entanto, o hélio-4 superfluido não é normalmente referido como um condensado de Bose-Einstein por ser líquido em vez de gasoso, o que significa que as interacções entre os átomos são relativamente fortes. A teoria original da condensação de Bose-Einstein tem de ser profundamente modificada para descrever este comportamento.

O primeiro "verdadeiro" condensado de Bose-Einstein foi criado por [[Eric Cornell]], [[Carl Wieman]] e colegas no [[Joint Institute for Laboratory Astrophysics|JILA]] a [[5 de Junho]] de [[1995]]. Este feito foi conseguido arrefecendo um vapor diluído de aproximadamente 2000 átomos de [[rubídio|rubídio-87]] até atingir temperaturas abaixo dos 170 nK usando uma combinação de [[arrefecimento a laser]] (uma técnica que valeu aos seus inventores [[Steven Chu]], [[Claude Cohen-Tannoudji]] e [[William D. Phillips]] o [[Prémio Nobel da Física]] em [[1997]]) e arrefecimento por evaporação magnética. Cerca de quatro meses depois, um projeto independente conduzido por [[Wolfgang Ketterle]] no [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] criou um condensado formado por [[sódio|sódio-23]]. O condensado de Ketterle era constituído por trezentas vezes mais átomos, o que lhe permitiu obter vários resultados importantes como a observação de [[interferência]] [[mecânica quântica|quanto-mecânica]] entre dois condensados diferentes. Cornell, Wieman e Ketterle ganharam o Prémio Nobel em [[2001]] pelo seu trabalho.

A condensação de Bose-Einstein também se aplica a [[quasipartículas]] em materiais [[sólido]]s. Um [[mágnon]] num [[antiferromagneto]] possui [[spin]] 1 e portanto obedece à estatística de Bose-Einstein. A densidade de [[mágnon]]s é controlada por um campo magnético externo, que desempenha o papel de "[[potencial químico]]" do [[mágnon]]. Esta técnica permite o acesso a uma ampla faixa de densidades de bósons, desde o limite de um gás de Bose diluído até ao de líquido de Bose fortemente interativo. Um ordenamente magnético observado no ponto de condensação é o análogo da [[superfluidez]]. Em [[1999]], a condensação de Bose para [[mágnon]]s foi demonstrada no TICuCl3<ref>^ Nikuni, T., M. Oshikawa, A. Oosawa, and H. Tanaka, (1999). "[http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5868 Bose–Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl3]". Physical Review Letters 84: 5868.</ref>. A condensação foi observada a temperaturas tão altas quanto 14 K. Uma temperatura de transição tão alta (relativamente àquela dos gases atómicos) deve-se a uma densidade maior obtenível com [[mágnon]]s e a uma massa menor (aproximadamente igual à massa do elétron).

== Características invulgares ==

Experiências mais detalhadas da equipa do JILA, em 2000, revelaram uma até então desconhecida propriedade do condensado de Bose-Einstein. Cornell, Wieman e seus colegas de trabalho utilizaram originalmente o rubídio-87, um isótopo cujos átomos se repelem naturalmente formando um condensado mais estável. Os instrumentos da equipa do JILA já permitiam melhor controle sobre o condensado, e assim as experiências foram feitas em átomos naturalmente ''atrativos'' de outro isótopo de rubídio, o rubídio-85 (com deflexão átomo-átomo negativa). Através de um processo denominado ''[[ressonância de Feshbach]]'', que envolve um varrimento do campo magnético, causando colisões com inversão de spin, os investigadores do JILA diminuíram as energias características e discretas com as quais os átomos de rubídio se ligam em moléculas tornando seus átomos de Rb-85 repulsivos e criando um condensado estável. A mudança reversível de atração para repulsão origina-se da interferência quântica entre átomos de condensado que se comportam como ondas.

Quando os cientistas aumentaram ainda mais a intensidade do campo magnético, a repulsão foi repentinamente substituída pela atração, o condensado implodiu e encolheu além do limiar de detecção, e depois explodiu, destruindo aproximadamente dois terços dos seus cerca de 10 000 átomos. Cerca de metade dos átomos no condensado parece ter desaparecido totalmente durante a experiência, não sendo observáveis nos restos arrefecidos ou na nuvem gasosa expandida. Carl Wieman explicou que, segundo a teoria atômica atual, esta característica do condensado de Bose-Einstein não poderia ser explicada pois o estado de energia de um átomo próximo do zero absoluto não deveria ser suficiente para causar uma implosão; no entanto, foram subsequentemente avançadas teorias de campo médio com vista à explicação deste fenômeno.

Visto que explosões de [[supernova]]s são implosões, a explosão de um condensado de Bose-Einstein em colapso foi batizada "[[bosenova]]".

== Investigação atual ==

Comparados com os estados da matéria mais comuns, os condensados de Bose-Einstein são extremamente frágeis. A mínima interação com o mundo exterior pode ser suficiente para aquecê-los acima do limite de condensação, formando assim um gás normal com a perda das suas propriedades, por isso ainda não existe nenhuma aplicação prática para eles.

Ainda assim, os condensados de Bose-Einstein têm sido úteis na investigação de variadas questões da física fundamental, e desde as descobertas iniciais dos grupos do JILA e do MIT houve uma explosão na atividade teórica e experimental. Exemplos disso incluem experiências que demonstraram a interferência entre condensados devido à [[Dualidade onda-corpúsculo|dualidade onda-particula]]<ref>http://cua.mit.edu/ketterle_group/Projects_1997/Interference/Interference_BEC.htm</ref>, o estudo da [[superfluidez]] e [[vórtice]]s<ref>http://www.aip.org/pt/vol-53/iss-8/p19.html</ref> quantizados e o [[Velocidade da luz|abrandamento de pulsações de luz]] até velocidades muito pequenas usando a [[transparência induzida electromagneticamente]]<ref>http://www.europhysicsnews.com/full/26/article1/article1.html</ref>. Os experimentadores também construíram "grades ópticas", onde o padrão de interferência de laseres sobrepostos fornece um potencial periódico ao condensado. Estas têm sido usadas para explorar a transição entre um superfluido e um [[isolador de Mott]]<ref>http://qpt.physics.harvard.edu/qptsi.html</ref> e podem ser úteis no estudo na condensação de Bose-Einstein em menos do que três dimensões, por exemplo no [[gás de Tonks-Girardeau]].

Já foram produzidos condensados de Bose-Einstein compostos por uma grande variedade de [[isótopo]]s <ref>http://physicsweb.org/articles/world/18/6/1</ref>.

Experiências semelhantes sobre arrefecimento de [[férmion]]s, em lugar de [[bóson]]s a temperaturas extremamente baixas, criaram gases degenerados, onde os átomos não se congregam num único estado, devido ao [[Princípio de exclusão de Pauli]]. Para exibirem propriedades de condensado de Bose-Einstein, os férmions devem "emparelhar-se", formando partículas compostas (por exemplo, moléculas, ou ''pares de Cooper'') que se comportam como bósons. Os primeiros condensados de Bose-Einstein moleculares foram criados em Novembro de [[2003]] pelas equipas de [[Rudolf Grimm]] na [[Universidade de Innsbruck]], [[Deborah S. Jin]] na [[Universidade de Colorado]] em Boulder e [[Wolfgang Ketterle]] no [[MIT]]. Jin avançou rapidamente, criando o primeiro [[Condensado Fermiônico|condensado fermiônico]] composto por Pares de Cooper<ref>http://physicsweb.org/articles/news/8/1/14/1</ref>.

== {{Ver também}} ==

* [[Superfluidez]]
* [[Elemento transurânico]]
* [[Supercondutividade]]
* [[Condensado fermiônico]]

== Referências ==
<div class="references-small">
* S. N. Bose, Z. Phys. 26, 178 (1924)
* A. Einstein, Sitz. Ber. Preuss. Akad. Wiss. (Berlin) 1, 3 (1925)
* L.D. Landau, J. Phys. USSR 5, 71 (1941)
* L. Landau (1941). "Theory of the Superfluidity of Helium II". Physical Review 60: 356-358.
* M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.E. Wieman, and E.A. Cornell (1995). "[http://links.jstor.org/sici?sici=0036-8075%2819950714%293%3A269%3A5221%3C198%3AOOBCIA%3E2.0.CO%3B2-G Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor]". Science 269: 198-201.
* K.B. Davis, M.-O. Mewes, M.R. Andrews, N.J. van Druten, D.S. Durfee, D.M. Kurn, and W. Ketterle (1995). "Bose–Einstein condensation in a gas of sodium atoms". Physical Review Letters 75: 3969-3973..
* D. S. Jin, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman, and E. A. Cornell (1996). "Collective Excitations of a Bose–Einstein Condensate in a Dilute Gas". Physical Review Letters 77: 420-423.
* M. R. Andrews, C. G. Townsend, H.-J. Miesner, D. S. Durfee, D. M. Kurn, and W. Ketterle (1997). "Observation of interference between two Bose condensates". Science 275: 637-641..
* M. R. Matthews, B. P. Anderson, P. C. Haljan, D. S. Hall, C. E. Wieman, and E. A. Cornell (1999). "Vortices in a Bose–Einstein Condensate". Physical Review Letters 83: 2498-2501.
* E.A. Donley, N.R. Claussen, S.L. Cornish, J.L. Roberts, E.A. Cornell, and C.E. Wieman (2001). "Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates". Nature 412: 295-299.
* M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch (2002). "Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms". Nature 415: 39-44..
* S. Jochim, M. Bartenstein, A. Altmeyer, G. Hendl, S. Riedl, C. Chin, J. Hecker Denschlag, and R. Grimm (2003). "Bose–Einstein Condensation of Molecules". Science 302: 2101-2103.
* Markus Greiner, Cindy A. Regal and Deborah S. Jin (2003). "Emergence of a molecular Bose−Einstein condensate from a Fermi gas". Nature 426: 537-540.
* M. W. Zwierlein, C. A. Stan, C. H. Schunck, S. M. F. Raupach, S. Gupta, Z. Hadzibabic, and W. *Ketterle (2003). "Observation of Bose–Einstein Condensation of Molecules". Physical Review Letters 91: 250401.
* C. A. Regal, M. Greiner, and D. S. Jin (2004). "Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs". Physical Review Letters 92: 040403.
* C. J. Pethick and H. Smith, Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
* Lev P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose–Einstein Condensation, Clarendon Press, Oxford, 2003.
* Mackie M, Suominen KA, Javanainen J., "Mean-field theory of Feshbach-resonant interactions in 85Rb condensates." Phys Rev Lett. 2002 Oct 28;89(18):180403.
* Oxford Experimental BEC Group. http://www-matterwave.physics.ox.ac.uk/bec/bec.html
</div>
== Notas ==
{{reflist}}

== {{Ligações externas}} ==
* [http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html BEC Homepage] Introdução geral ao condensado de Bose-Einstein {{en}}
* [http://nobelprize.org/physics/laureates/2001/index.html Prêmio Nobel de Física em 2001] - por conseguir a condensação do Condensado de Bose-Einstein em gases diluidos de átomos alcalinos, e por fundamentais estudos anteriores sobre as propriedades dos condensados {{en}}
* [http://www.physicstoday.org/pt/vol-54/iss-12/p14.html Física Hoje: Cornell, Ketterle, e Wieman dividem Prêmio Nobel pelo Condensado de Bose-Einstein] {{en}}
* [http://jilawww.colorado.edu/bec/ Condensado de Bose-Einstein em JILA] {{en}}
* [http://www.bec.phys.uu.nl/ O Condensado de Bose-Einstein na Universidade de Utrecht, na Holanda] {{en}}
* [http://cua.mit.edu/ketterle_group/home.htm Gases quânticos de Alkali no MIT] {{en}}
* [http://www.physics.uq.edu.au/atomoptics/ Átomos Óticos no UQ] {{en}}
* [http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/Einstein_archive/ Manuscrito de Einstein sobre a descoberta do condensado de Bose-Einstein na Universidade de Leiden] {{en}}
* [http://physicsweb.org/articles/world/18/6/8/1 A revolução que não parou] Artigo da PhysicsWeb de Junho de 2005 {{en}}
* [http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/boseeinstein/condensado_bose_einstein.html Site da UNESP falando da descoberta.] {{pt}}
* [http://www.seara.ufc.br/folclore/folclore186.htm Página da UFC com introdução ao assunto.] {{pt}}

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[[Categoria:Mecânica quântica]]
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