Bose-Einstein condensaten, vaak de "vijfde toestand van materie genoemd, " worden verkregen wanneer atomen bijna tot het absolute nulpunt worden afgekoeld. Onder deze omstandigheden, de deeltjes hebben geen vrije energie meer om te bewegen ten opzichte van een ander, en sommige van deze deeltjes, genaamd bosonen, vallen in dezelfde kwantumtoestanden en kunnen niet afzonderlijk worden onderscheiden. Op dit punt, de atomen beginnen te gehoorzamen aan wat bekend staat als Bose-Einstein-statistieken, die gewoonlijk worden toegepast op identieke deeltjes. In een Bose-Einstein condensaat, de hele groep atomen gedraagt ​​zich alsof het een enkel atoom is.

Bose-Einstein condensaten werden voor het eerst voorspeld en theoretisch berekend door Satyendra Nath Bose en Albert Einstein in 1924, maar het was pas in 1995 dat Eric A. Cornell, Carl E. Wieman en Wolfgang Ketterle slaagden erin om er een te produceren met behulp van ultrakoud rubidiumgas, waarvoor alle drie de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2001 kregen.

Onderzoek door een internationale samenwerking heeft onlangs het equivalent van een Bose-Einstein-condensaat opgeleverd met behulp van de chemische verbinding nikkelchloride. Belangrijker, theoretische behandeling van de gegevens stelde de onderzoekers in staat een reeks vergelijkingen te verkrijgen die kunnen worden toegepast op andere materialen die niet worden gekenmerkt als Bose-Einstein-condensaten.

Armando Paduan Filho, Hoogleraar aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, deelgenomen aan de studie. "Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt en in de aanwezigheid van een zeer intens magnetisch veld, nikkelchloride gedraagt ​​zich als een Bose-Einstein condensaat, zodat de eigenschappen van een grote groep atomen kunnen worden beschreven met een enkele vergelijking, een enkele golffunctie, " vertelde Paduan Filho.

Deze ontdekking maakt berekeningen mogelijk die anders onpraktisch zouden zijn. Bijvoorbeeld, het magnetische moment van een macroscopisch lichaam kan theoretisch worden berekend als de som van de magnetische momenten van zijn atomen, maar in de praktijk deze berekening is niet haalbaar vanwege de enorme aantallen atomen en interacties die ermee gemoeid zijn. "Een manier om het probleem op te lossen is om de statistieken van de kwantummechanica te gebruiken. In dit geval we moeten atomen niet als punten of vaste stoffen zien, maar als golven, ' zei Paduan Filho.

In bosonen, d.w.z., in materialen die voldoen aan de Bose-Einstein-statistieken, alle golven die samenhangen met de deeltjes waaruit ze zouden bestaan, zijn gelijk. In de tussentijd, hoe lager de temperatuur van een materiaal, hoe langer de golflengten van de samenstellende deeltjes, en als de temperatuur van het materiaal het absolute nulpunt nadert, de golflengten nemen toe totdat alle golven elkaar overlappen. "Dus we hebben een situatie waarin alle golven gelijk zijn en elkaar overlappen, en we kunnen ze daarom allemaal als een enkele golf voorstellen. Energie-emissies en elektrische, magnetisch, thermisch, lichtsterkte en andere eigenschappen kunnen worden berekend door middel van een enkele golffunctie, " hij legde uit.

Toen de onderzoekers nikkelchloride bestudeerden, ze ontdekten dat wanneer het materiaal bijna tot het absolute nulpunt was afgekoeld en onderworpen aan een sterk magnetisch veld, de atomen gedroegen zich als bosonen en het kan daarom worden gekarakteriseerd als een Bose-Einstein-condensaat. "Het feit dat de atomen als golven kunnen worden waargenomen, is een experimentele bevinding die de theorie bevestigt, overwegende dat de bewering dat ze een Bose-Einstein-condensaat vormen voortkomt uit het toepassen van een theoretisch instrument om de waargenomen eigenschappen te verklaren, " hij zei.

Natuurkundigen van de Universiteit van São Paulo (USP) onderzoeken al meer dan tien jaar de magnetische eigenschappen van nikkelchloride. "Bij sommige materialen de magnetische momenten van de atomen zijn wanordelijk bij kamertemperatuur, maar ordelijk wanneer het materiaal wordt gekoeld. We ontdekten dat deze ordelijkheid niet gebeurt in nikkelchloride, maar bij zeer lage temperaturen en in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld, het vertoont een geïnduceerd magnetisch moment, ' zei Paduan Filho.

Het onderzoek verliep via samenwerking met verschillende buitenlandse instellingen, zoals het National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Los Alamos, VS, en de gelijknamige Franse vestiging in Grenoble (LNCMI), onder andere. Dankzij deze partnerschappen konden de onderzoekers temperaturen bereiken in de orde van 1 millikelvin - een duizendste van een graad boven het absolute nulpunt - en technieken zoals nucleaire magnetische resonantie (NMR) gebruiken om materie op atomaire en subatomaire schaal te bestuderen. Zo slaagden de onderzoekers erin ultrakoud nikkelchloride te karakteriseren als een Bose-Einstein-condensaat.

"Naast deze experimenten, onze samenwerking leverde ook consistent theoretisch werk op, en we kwamen tot een reeks vergelijkingen die, met enkele omzettingen, kan worden toegepast op andere materialen dan condensaten, " zei Paduan Filho. Het gebruik van deze vergelijkingen biedt uitstekende vooruitzichten, niet alleen voor fundamenteel onderzoek naar de structuur van materie, maar ook voor toekomstige technologische toepassingen, want heel veel alledaagse apparaten werken op basis van magnetische eigenschappen.