KONDENSAT FERMIONOWY: WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA I PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Fermiego kondensat jest w ścisłym tego słowa znaczeniu, bardzo rozcieńczony gazowy składa się z fermionic węgla, które zostały narażone na temperatury bliskiej do zera absolutnego. W ten sposób iw odpowiednich warunkach przechodzą w fazę nadciekłą, tworząc nowy stan skupienia materii.

Pierwszy kondensat fermionowy uzyskano 16 grudnia 2003 r. W Stanach Zjednoczonych dzięki zespołowi fizyków z różnych uczelni i instytucji. W eksperymencie wykorzystano około 500 tysięcy atomów potasu-40 poddanych działaniu zmiennego pola magnetycznego i temperatury 5 x ^10-8 kelwinów.

Magnes nadprzewodzący. Źródło: pixabay

Uważa się, że ta temperatura jest bliska zeru absolutnemu i jest znacznie niższa niż temperatura przestrzeni międzygalaktycznej, która wynosi około 3 kelwinów. Przez bezwzględne zero temperatury rozumie się 0 kelwinów, co odpowiada -273,15 stopni Celsjusza. Zatem 3 kelwiny odpowiadają -270,15 stopni Celsjusza.

Niektórzy naukowcy uważają kondensat fermionowy za stan materii płci. Pierwsze cztery stany są najbardziej znane każdemu: ciało stałe, ciecz, gaz i plazma.

Wcześniej piąty stan skupienia materii został osiągnięty, gdy uzyskano kondensat atomów bozonowych. Ten pierwszy kondensat powstał w 1995 r. Z bardzo rozcieńczonego rubidu-87 schłodzonego do 17 x ^10-8 kelwinów.

Znaczenie niskich temperatur

Atomy zachowują się bardzo różnie w temperaturach bliskich zeru absolutnemu, w zależności od wartości ich wewnętrznego momentu pędu lub spinu.

To dzieli cząstki i atomy na dwie kategorie:

- Bozony, czyli te o spinie całkowitym (1, 2, 3, …)

- Fermiony, czyli te o spinie półcałkowitym (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bozony nie mają żadnych ograniczeń w tym sensie, że dwa lub więcej z nich może zajmować ten sam stan kwantowy.

Zamiast tego, fermiony są zgodne z zasadą wykluczenia Pauliego: dwa lub więcej fermionów nie może zajmować tego samego stanu kwantowego, czyli innymi słowy: może istnieć tylko jeden fermion na stan kwantowy.

Ta fundamentalna różnica między bozonami i fermionami sprawia, że ​​kondensaty fermionowe są trudniejsze do uzyskania niż bozonowe.

Aby fermiony zajmowały wszystkie najniższe poziomy kwantowe, konieczne jest, aby wcześniej ustawiły się w pary, tworząc tak zwane „pary Coopera”, które zachowują się bozonowo.

Historia, fundamenty i właściwości

W 1911 roku, kiedy Heike Kamerlingh Onnes badał odporność rtęci poddawanej działaniu bardzo niskich temperatur z użyciem ciekłego helu jako chłodziwa, odkrył, że po osiągnięciu temperatury 4,2 K (-268,9 Celsjusza) opór gwałtownie spadł do zera. .

Pierwszy nadprzewodnik został znaleziony w nieoczekiwany sposób.

Nie wiedząc o tym, HK Onnes zdołał umieścić wszystkie elektrony przewodzące razem na najniższym poziomie kwantowym, co w zasadzie nie jest możliwe, ponieważ elektrony są fermionami.

Osiągnięto, że elektrony przeszły do ​​fazy nadciekłej wewnątrz metalu, ale ponieważ mają ładunek elektryczny, powodują przepływ ładunku elektrycznego o zerowej lepkości, a tym samym zerowym oporze elektrycznym.

Sam HK Onnes w Leiden w Holandii odkrył, że hel, którego użył jako czynnika chłodniczego, stał się nadciekły, gdy temperatura osiągnęła 2,2 K (-270,9 Celsjusza).

Nieświadomie HK Onnes po raz pierwszy odniósł sukces w połączeniu atomów helu, którymi schłodził rtęć do najniższego poziomu kwantowego. Mimochodem zdał sobie również sprawę, że gdy temperatura spadła poniżej pewnej temperatury krytycznej, hel przeszedł do fazy nadciekłej (zerowej lepkości).

Teoria nadprzewodnictwa

Hel-4 jest bozonem i tak się zachowuje, dlatego możliwe było przejście z normalnej fazy ciekłej do fazy nadciekłej.

Jednak żaden z nich nie jest uważany za kondensat fermionowy lub bozonowy. W przypadku nadprzewodnictwa fermiony, podobnie jak elektrony, znajdowały się w sieci krystalicznej rtęci; aw przypadku nadciekłego helu przeszedł on z fazy ciekłej do fazy nadciekłej.

Teoretyczne wyjaśnienie nadprzewodnictwa pojawiło się później. Jest to dobrze znana teoria BCS opracowana w 1957 roku.

Teoria głosi, że elektrony oddziałują z sieciami krystalicznymi, tworząc pary, które zamiast odpychać się nawzajem, przyciągają się, tworząc „pary Coopera”, które działają jak bozony. W ten sposób elektrony jako całość mogą zajmować stany kwantowe o najniższej energii, o ile temperatura jest wystarczająco niska.

Jak wyprodukować kondensat fermionu?

Prawidłowy kondensat fermionu lub bozonu musi zaczynać się od bardzo rozcieńczonego gazu składającego się z atomów fermionowych lub bozonowych, który jest schładzany w taki sposób, że wszystkie jego cząsteczki przechodzą do najniższych stanów kwantowych.

Ponieważ jest to znacznie bardziej skomplikowane niż uzyskanie kondensatu bozonu, dopiero niedawno powstały tego typu kondensaty.

Fermiony to cząstki lub konglomeraty cząstek o połowie całego spinu. Elektron, proton i neutron to cząstki spinowe ½.

Jądro helu-3 (dwa protony i jeden neutron) zachowuje się jak fermion. Neutralny atom potasu-40 ma 19 protonów + 21 neutronów + 19 elektronów, które sumują się do liczby nieparzystej 59, więc zachowuje się jak fermion.

Cząsteczki mediatora

Pośredniczącymi cząstkami interakcji są bozony. Wśród tych cząstek możemy wymienić:

- Fotony (mediatory elektromagnetyzmu).

- Gluon (mediatory silnych oddziaływań jądrowych).

- Bozony Z i W (mediatory słabych oddziaływań jądrowych).

- Grawiton (mediatory oddziaływań grawitacyjnych).

Bozony złożone

Wśród bozonów złożonych są:

- Jądro deuteru (1 proton i 1 neutron).

- 4 atom helu (2 protony + 2 neutrony + 2 elektrony).

Ilekroć suma protonów, neutronów i elektronów neutralnego atomu daje w wyniku liczbę całkowitą, zachowaniem będzie bozon.

Jak uzyskano kondensat fermionowy

Rok przed uzyskaniem kondensatu fermionu osiągnięto tworzenie cząsteczek z atomami fermionów, które tworzyły ściśle powiązane pary, które zachowywały się jak bozony. Jednak nie jest to uważane za czysty kondensat fermionowy, ale raczej przypomina kondensat bozonowy.

Jednak 16 grudnia 2003 roku zespół Deborah Jin, Markusa Greinera i Cindy Regal z laboratorium JILA w Boulder w Kolorado utworzył kondensat par pojedynczych atomów fermionowych w gazie.

W tym przypadku para atomów nie tworzy cząsteczki, ale przemieszczają się razem w skorelowany sposób. Tak więc, jako całość, para atomów fermionowych działa jak bozon, stąd ich kondensacja została osiągnięta.

Aby osiągnąć tę kondensację, zespół JILA rozpoczął od gazu zawierającego 40 atomów potasu (które są fermionami), który został zamknięty w pułapce optycznej przy 300 nanokelwinach.

Następnie gaz został poddany oscylacyjnemu polu magnetycznemu, aby zmienić odpychające oddziaływanie między atomami i przekształcić je w atrakcyjne, poprzez zjawisko znane jako „rezonans Fesbacha”.

Odpowiednie dobranie parametrów pola magnetycznego pozwala atomom zamiast cząsteczek tworzyć pary Coopera. Następnie kontynuuje chłodzenie w celu uzyskania kondensatu fermionowego.

Zastosowania i przykłady

Technologia opracowana w celu uzyskania kondensatów fermionowych, w których atomy są praktycznie manipulowane prawie indywidualnie, pozwoli m.in. na rozwój obliczeń kwantowych.

Poprawi również zrozumienie zjawisk, takich jak nadprzewodnictwo i nadciekłość, umożliwiając tworzenie nowych materiałów o specjalnych właściwościach. Ponadto odkryto, że istnieje punkt pośredni między nadciekłością cząsteczek a konwencjonalnym, poprzez tworzenie się par Coopera.

Manipulowanie ultrazimnymi atomami pozwoli nam zrozumieć różnicę między tymi dwoma sposobami wytwarzania nadcieków, co z pewnością doprowadzi do powstania nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

W rzeczywistości istnieją obecnie nadprzewodniki, które chociaż nie działają w temperaturze pokojowej, działają w temperaturach ciekłego azotu, który jest stosunkowo tani i łatwy do uzyskania.

Rozszerzając koncepcję kondensatów fermionowych poza atomowe gazy fermionowe, można znaleźć liczne przykłady, w których fermiony wspólnie zajmują niskoenergetyczne poziomy kwantowe.

Jak już wspomniano, pierwsze z nich to elektrony w nadprzewodniku. Są to fermiony, które ustawiają się w pary, aby zajmować najniższe poziomy kwantowe w niskich temperaturach, wykazując zbiorowe zachowanie podobne do bozonu oraz zmniejszające lepkość i odporność do zera.

Innym przykładem grupowania się fermionów w stanach niskoenergetycznych są kondensaty kwarkowe. Również atom helu-3 jest fermionem, ale w niskich temperaturach tworzy pary Coopera dwóch atomów, które zachowują się jak bozony i wykazują właściwości nadciekłe.

Bibliografia

1. K Goral i K Burnett. Fermionic pierwszy dla kondensatów. Odzyskane z: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Kondensaty Fermiego. Pobrane z: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers i B. Dumé. Debiutuje kondensat Fermionów. Odzyskane z: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Kondensat fermionowy. Odzyskany z Wikiwand.com
5. Wikiwand. Kondensat fermionowy. Odzyskany z Wikiwand.com