¿Qué es el plasma y el condensado de Bose-Einstein?

Estamos muy familiarizados con el término materia. Todo lo que nos rodea puede ser considerado como una materia. En general, es un error pensar que el estudio de la materia solo involucra tres estados de la misma, que son sólido, líquido y gaseoso. Pero, la materia existe en otras formas de estados en la naturaleza además de estos tres. Este artículo se centra en el estudio de diferentes estados de la materia que es sólido, líquido y gas, así como dos estados más de la materia que incluyen plasma y condensado de Bose-Einstein.

 La materia se puede definir como sustancias que tienen su propia masa y volumen.

Sobre la base de las fuerzas entre partículas y la disposición de las partículas, normalmente se clasifican en tres estados sólido, líquido y gas. Estos tres estados se pueden convertir entre sí aumentando o disminuyendo la temperatura y la presión. 

Los cuatro estados fundamentales de la materia se describen a continuación: 

1. Sólido: El estado de la materia que tiene una forma y tamaño fijos se conoce como sólido. Consumen la energía más baja y son difíciles de comprimir. Las moléculas de las sustancias sólidas están estrechamente empaquetadas. La densidad es la máxima del sólido entre los tres estados y su velocidad de difusión es insignificante.
2. Líquido: El estado de la materia que no tiene forma fija pero tiene un volumen se llama líquido. Consumen potencia energética media. Es casi difícil comprimir líquido. La disposición de las moléculas es aleatoria y dispersa. Tiene un nivel de densidad medio y la tasa de difusión de una sustancia líquida depende de la atracción entre partículas.
3. Gas: El estado de la materia que no tiene ni forma ni volumen definidos se conoce como gas. Consume la energía más alta entre los tres estados y es fácil de comprimir una sustancia que está en estado gaseoso. Las moléculas están dispuestas al azar y más escasamente. Pueden moverse libremente por todas partes. El nivel de densidad es más bajo en el estado gaseoso. tiene la tasa máxima de difusión.
4. Plasma: El plasma es un estado de la materia similar a los gases, donde no tiene forma ni volumen rígidos. Pero a diferencia de los gases, estos estados de la materia están altamente cargados y almacenan una gran cantidad de energía cinética en su interior, lo que hace que el plasma produzca campos magnéticos y eléctricos.

Plasma

En un plasma, los electrones del átomo se separan de sus núcleos, de modo que los núcleos parecen flotar en el mar de electrones. Para ciertas sustancias, si continuamos aplicando calor a su forma gaseosa podría ocurrir otro cambio de estado. Estas sustancias pueden pasar de un estado gaseoso a un estado de la materia llamado Plasma. 

Para que se produzca este cambio de estado se debe aplicar un calor muy fuerte. Cuando el calor es suficientemente fuerte, los electrones son despojados de sus respectivos átomos creando electrones libres e iones positivos. Aunque hay partículas negativas y positivas, el plasma es neutral en general ya que hay cantidades iguales de partículas con carga opuesta. 

Dado que los electrones libres están presentes, las sustancias en forma de plasma pueden conducir electricidad. Esto es lo que separa un gas de un plasma. Todos los gases no pueden conducir electricidad, pero el plasma sí. El plasma de origen natural incluye relámpagos y auroras boreales. Si tuviéramos que ir mucho más allá del planeta Tierra, las estrellas también existen en forma de plasma. De hecho, las estrellas no son más que bolas calientes de plasma.  

El plasma se puede encontrar en bombillas fluorescentes y letreros de neón. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del vapor de mercurio en las bombillas fluorescentes, calienta los gases lo suficiente como para eliminar los electrones y crear plasma. Los televisores de pantalla de plasma son posibles gracias a este estado de la materia. Una pantalla de plasma está hecha de muchos miles de pequeños puntos llamados píxeles, que están hechos de tres electrodos de luz fluorescente que emiten los colores rojo, verde y azul. La combinación de estos colores puede dar cualquier color posible, por lo que podemos ver todos los colores en estos.

Algunos de los ejemplos de formas de plasma son:

1. Relámpago
2. auroras
3. Viento solar
4. arcos de soldadura
5. La cola de un cometa, etc.

Los cuatro anteriores son los estados primarios de la materia. Pero la materia puede existir en varias otras formas. Algunas de ellas se describen a continuación:

• Superfluido : Este es el estado de la materia donde su viscosidad es cero , lo que significa que puede fluir inmóvil sin perder energía cinética. Esta característica de una materia también se conoce como superfluidez .  Por ejemplo, la fluidez superfluida se puede observar en el helio-3 y el helio-4, que son isótopos del helio.
• Condensado fermiónico: El condensado fermiónico es una fase superfluida de partículas que siguen las estadísticas de Fermi-Dirac. La estática de Fermi-Dirac es un tipo de estática cuántica que generalmente se observa en partículas idénticas con espín semientero (1/2, 3/2, etc.). Estas partículas se llaman Fermi-on. Por ejemplo, un átomo de helio-3 actúa como fermio a temperaturas muy bajas y exhibe la propiedad de condensado fermiónico.
• Polarón de Rydberg:El polarón de Rydberg es un estado exótico de la materia creado a bajas temperaturas en el que un átomo muy grande contiene otros átomos ordinarios en el espacio entre el núcleo y los electrones. Para la formación de este átomo, los científicos tuvieron que combinar dos campos de la física atómica: los condensados ​​de Bose-einstein y los átomos de Rydberg. Los átomos de Rydberg se forman al excitar un solo átomo a un estado de alta energía en el que el electrón está muy lejos del núcleo. Los condensados ​​de Bose-Einstein son un estado de la materia que se produce a temperaturas cercanas al cero absoluto. Los átomos de Rydberg se inducen mediante el uso de un láser para excitar los átomos de Rydberg contenidos como impurezas en un condensado de Bose-einstein. En esos átomos de Rydberg, la distancia promedio entre el electrón y su núcleo puede ser tan grande como varios cientos de nanómetros, que es más de mil veces el radio de un átomo de hidrógeno. En esas circunstancias, la distancia entre el núcleo y el electrón de los átomos de Rydberg excitados es mayor que la distancia promedio de los átomos del condensado, como resultado, algunos átomos se encuentran dentro de la órbita del átomo de Rydberg.
• Condensado de Bose-Einstein: El Condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado de la materia de un gas diluido de bosones enfriado a temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En tales condiciones, una gran parte de los bosones ocupan el estado cuántico más bajo, momento en el que se hacen evidentes los fenómenos cuánticos microscópicos, en particular la interferencia de la función de onda.

Analicemos el condensado de Bode-Einstein en detalle.

Condensado de Bose-Einstein

El Condensado de Bose-Einstein es una teoría que establece que cuando congelas un átomo al cero absoluto (es decir, cero kelvin), el átomo se convierte en un superátomo o un superconductor. 

Para comprender mejor esto, primero necesita saber cómo reaccionan las partículas en temperaturas frías y calientes. Las partículas más calientes tienden a moverse más rápido y las partículas más frías se mueven más lentamente porque están perdiendo su energía térmica. Ahora imagina correr en línea recta con tus amigos, cuanto más lento corras, más aglomerado te vuelves. Esto es lo mismo con los átomos, pero para los átomos, la pregunta es ¿qué tan cerca pueden estar realmente los átomos? ¿Se pueden apilar todos unos encima de otros? ¿O tiene que haber un espacio mínimo?

Aquí entra en juego el Principio de Exclusión de Pauli . Este principio establece que tiene que haber un espacio mínimo entre los átomos. Hay dos tipos de partículas de las que vamos a hablar, a saber:

• Fermiones 
• bosones 

Los bosones no obedecen el Principio de Exclusión de Pauli, lo que significa que en cualquier estado o tiempo dado, un número infinito de bosones puede estar en el mismo lugar. Mientras que los fermiones obedecen esta regla.

Siddartha Nath Bose y Albert Einstein fueron los creadores de esta teoría fenoménica. Lamentablemente, no pudieron probarlo debido a la falta de tecnología. Pero Eric Cornell, Wolfgang Cartel y Carl WhitmanFueron en 2001. Crearon una trampa láser, esta trampa láser. Este láser atrapa al átomo y con todos los láseres apuntándolo, esto hace que el átomo esté en un estado exacto en el que puede absorber fotones. los fotones son absorbidos y reemitidos en direcciones aleatorias. Por lo tanto, enfriando el átomo significativamente. Pero esto no es suficiente, se debe aplicar otro método de enfriamiento como la evaporación. El átomo es súper frío pero aún hay más partículas con más energía térmica. Al encender esas partículas para que se vayan, hemos disminuido la temperatura de los átomos increíblemente. Así que este es el condensado de Bose-Einstein.

Las partículas solo pueden tener una cantidad determinada de energía. O bien tienen la energía para rebotar en los gases o simplemente la energía para fluir como un líquido o fijarlo como un sólido. Si quitas suficiente energía de la partícula, obtienes la cantidad de energía más pequeña o más pequeña posible. Este es un condensado de Bose-Einstein.  Esto hace que todas las partículas sean exactamente iguales y, en lugar de rebotar al azar en todas las direcciones diferentes, todas rebotan hacia arriba y hacia abajo exactamente de la misma manera, formando algo llamado onda de materia gigante. 

Problemas de muestra

Problema 1: ¿Es el condensado de Bose-Einstein un estado de baja temperatura? Si es así, ¿por qué?

Solución:

Sí, el condensado de Bose-Einstein es un estado de baja temperatura, por lo que para lograr este estado, se debe emitir una gran cantidad de energía de la materia. Como resultado, cuanto más energía sueltan las partículas, más frío se vuelve.

Problema 2: ¿Cuáles son los estados fundamentales de la materia?

Solución:

Hay cuatro estados fundamentales de la materia, a saber:

• Sólido: Materia con forma y volumen definidos.
• Líquido: Materia que tiene forma fluida, es decir, toma la forma del recipiente que la contiene y tiene un volumen fijo.
• Gas: Los gases son una forma de fluido comprimible.. Puede adaptarse a la forma de su contenedor y también expandirse para llenar el contenedor.
• Plasma: Al igual que un gas, el plasma no tiene forma ni volumen definidos. Los plasmas son eléctricamente conductores, producen campos magnéticos y corrientes eléctricas y tienen una fuerte respuesta a las fuerzas electromagnéticas.

Problema 3: ¿Cómo se forman los plasmas?

Solución:

Un gas generalmente se convierte en plasma de una de dos maneras:

• De una gran diferencia de voltaje entre dos puntos
• Al exponerlo a temperaturas extremadamente altas

Calentar la materia a altas temperaturas da como resultado que los electrones abandonen los átomos, lo que da como resultado la presencia de electrones libres. Estos métodos crean el llamado plasma parcialmente ionizado. 

Problema 4: ¿Qué son las transiciones de fase?

Solución:

Una transición de fase significa un cambio en la estructura de la materia y puede reconocerse por un cambio abrupto en las propiedades de la materia. Una transición de fase se utiliza para distinguir entre varios estados de la materia.

Problema 5: ¿Cuáles son algunos de los estados de baja temperatura de la materia?

Solución:

A continuación se enumeran los estados de baja temperatura de la materia:

• Superconductor
• superfluido
• Condensado de Bose-Einstein
• condensado fermiónico
• Molécula de Rydberg
• Estado de la sala cuántica
• materia fotónica
• gotita