ZA Kondensat Fermiego jest to w najściślejszym sensie bardzo rozcieńczony gaz złożony z atomów fermionowych, które zostały poddane działaniu temperatury bliskiej zeru absolutnemu. W ten sposób iw odpowiednich warunkach przechodzą w fazę nadciekłą, tworząc nowy stan skupienia materii..
Pierwszy kondensat fermionowy uzyskano 16 grudnia 2003 roku 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 kelwin.
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 został osiągnięty, gdy osiągnięto kondensat atomów bozonowych. Ten pierwszy kondensat powstał w 1995 roku z bardzo rozcieńczonego gazu rubidu-87 schłodzonego do 17 x 10-8 kelwin.
Indeks artykułów
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.
Z drugiej strony 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 parach, tworząc tzw.pary miedzianeKtóre mają zachowanie bozonowe.
W 1911 r., Kiedy Heike Kamerlingh Onnes badał odporność rtęci poddanej działaniu bardzo niskich temperatur przy użyciu 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.
Nieświadomie H.K. Onnesowi udało się umieścić wszystkie elektrony przewodzące razem na najniższym poziomie kwantowym, co w zasadzie nie jest możliwe, ponieważ elektrony są fermionami..
Okazało się, 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..
H.K. Onnes w Leiden w Holandii odkrył, że hel używany jako czynnik chłodniczy stał się nadciekły po osiągnięciu temperatury 2,2 K (-270,9 Celsjusza)..
Nieświadomie H.K. Po raz pierwszy Onnesowi udało się połączyć ze sobą atomy 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)..
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, 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..
Prawidłowy kondensat fermionu lub bozonu musi zaczynać się od bardzo rozcieńczonego gazu złożonego 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 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.
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).
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.
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 r. 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 poddano oscylacyjnemu polu magnetycznemu, aby zmienić odpychające oddziaływanie między atomami i przekształcić je w atrakcyjne oddziaływanie poprzez zjawisko znane jako „rezonans Fesbacha”..
Odpowiednie dobranie parametrów pola magnetycznego pozwala atomom zamiast cząsteczek tworzyć pary Coopera. Następnie kontynuuje chłodzenie, aby uzyskać kondensat fermionowy.
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 konwencjonalną poprzez tworzenie par Coopera.
Manipulacja 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 gazy atomowe fermionów, 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 skupiania się fermionów w stanach niskoenergetycznych są kondensaty kwarkowe. Atom helu-3 jest również fermionem, ale w niskich temperaturach tworzy pary Coopera dwóch atomów, które zachowują się jak bozony i wykazują właściwości nadciekłe..
Jeszcze bez komentarzy