FERMIONISKT KONDENSAT: EGENSKAPER, TILLÄMPNINGAR OCH EXEMPEL - FYSISK - 2025

Ett Fermi-kondensat är i strikt mening en mycket utspädd gas som består av fermioniska atomer som har utsatts för en temperatur nära absolut noll. På detta sätt, och under lämpliga förhållanden, passerar de in i en överflödig fas och bildar ett nytt tillstånd av aggregering av materia.

Det första fermioniska kondensatet erhölls den 16 december 2003 i USA tack vare ett team av fysiker från olika universitet och institutioner. I experimentet användes cirka 500 tusen kalium-40 atomer utsatta för ett variabelt magnetfält och en temperatur av 5 x ^10-8 Kelvin.

Superledande magnet. Källa: pixabay

Den temperaturen anses nära absolut noll och är väsentligt lägre än temperaturen i det intergalaktiska rymden, vilket är cirka 3 Kelvin. Den absoluta temperaturen noll förstås vara 0 Kelvin, vilket motsvarar -273,15 grader Celsius. Så 3 Kelvin motsvarar -270,15 grader Celsius.

Vissa forskare anser att fermioniskt kondensat är ämnets könstillstånd. De första fyra tillstånden är mest kända för alla: fast, flytande, gas och plasma.

Tidigare hade ett femte tillstånd erhållits när ett kondensat av bosoniska atomer uppnåddes. Detta första kondensat skapades 1995 från en mycket utspädd rubidium-87-gas som kyldes till 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Betydelsen av låga temperaturer

Atomer beter sig mycket annorlunda vid temperaturer nära absolut noll, beroende på värdet på deras inneboende vinkelmoment, eller snurra.

Detta delar upp partiklar och atomer i två kategorier:

- Bosonerna, som är de med heltalspinn (1, 2, 3, …).

- Fermions, som är de med semi-heltal snurr (1/2, 3/2, 5/2, …).

Bosoner har inga begränsningar, i den meningen att två eller flera av dem kan ockupera samma kvanttillstånd.

Å andra sidan uppfyller fermioner Pauli-uteslutningsprincipen: två eller flera fermioner kan inte uppta samma kvanttillstånd, eller med andra ord: det kan bara finnas en fermion per kvanttillstånd.

Denna grundläggande skillnad mellan bosoner och fermioner gör fermioniska kondensat svårare att få än bosoniska.

För att fermionerna ska uppta alla de lägsta kvantnivåerna, är det nödvändigt att de tidigare anpassas i par för att bilda de så kallade "Cooperpar" som har bosoniskt beteende.

Historik, stiftelser och fastigheter

1911, när Heike Kamerlingh Onnes studerade motståndet hos kvicksilver utsatt för mycket låga temperaturer med användning av flytande helium som kylmedel, fann han att när temperaturen uppnådde 4,2 K (-268,9 Celsius) sjönk motståndet abrupt till noll. .

Den första superledaren hade hittats på ett oväntat sätt.

Utan att veta det hade HK Onnes lyckats sätta samman ledningselektronerna på lägsta kvantnivå, ett faktum som i princip inte är möjligt eftersom elektronerna är fermioner.

Det hade uppnåtts att elektronerna passerade till den överflödiga fasen inuti metallen, men eftersom de har en elektrisk laddning, orsakar de ett flöde av elektrisk laddning med noll viskositet och följaktligen noll elektrisk motstånd.

HK Onnes själv i Leiden, Nederländerna hade funnit att heliumet som han använde som köldmedium blev överflödigt när temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) nåddes.

Omedvetet hade HK Onnes för första gången lyckats placera heliumatomerna tillsammans på deras lägsta kvantnivå som han kylde kvicksilver. I förbigående insåg han också att när temperaturen låg under en viss kritisk temperatur passerade helium in i den överflödiga fasen (nollviskositet).

Teorin om superledande

Helium-4 är en boson och uppför sig som sådan, det var därför det var möjligt att gå från den normala vätskefasen till den överflödiga fasen.

Ingen av dessa anses emellertid som ett fermioniskt eller bosoniskt kondensat. I fallet med supraledningsförmåga befann sig fermioner, som elektroner, inom kvicksilverets kristallgitter; och i fallet med superfluid helium hade den passerat från vätskefasen till den överflödiga fasen.

Den teoretiska förklaringen för superledningen kom senare. Det är den välkända BCS-teorin som utvecklades 1957.

Teorin säger att elektronerna interagerar med kristallgitterbildande par som istället för att stöta varandra, lockar varandra och bildar "Cooperpar" som fungerar som bosoner. På detta sätt kan elektronerna som helhet uppta det lägsta energikvantitet, så länge temperaturen är tillräckligt låg.

Hur man producerar ett fermionkondensat?

En legitim fermion eller boson-kondensat måste börja från en mycket utspädd gas som består av fermioniska eller bosoniska atomer, som kyls på ett sådant sätt att dess partiklar alla går till lägsta kvanttillstånd.

Eftersom detta är mycket mer komplicerat än att få ett boson-kondensat, är det först nyligen som dessa typer av kondensat har skapats.

Fermioner är partiklar eller konglomerat av partiklar med halvhel rotation. Elektronen, protonen och neutronen är alla ½ spinnpartiklar.

Kärnan i helium-3 (två protoner och en neutron) beter sig som en fermion. Den neutrala atomen i kalium-40 har 19 protoner + 21 neutroner + 19 elektroner, som lägger till det udda talet 59, så det uppför sig som en fermion.

Medlarpartiklar

Interaktionens medierande partiklar är bosoner. Bland dessa partiklar kan vi nämna följande:

- Fotoner (förmedlare av elektromagnetism).

- Gluon (förmedlare av stark kärnkraftsinteraktion).

- Bosons Z och W (förmedlare av svag kärnkraftsinteraktion).

- Graviton (förmedlare av gravitationsinteraktion).

Sammansatta bosoner

Bland de sammansatta bosonerna är följande:

- Deuterium nucleus (1 proton och 1 neutron).

- Helium-4 atom (2 protoner + 2 neutroner + 2 elektroner).

Närhelst summan av protoner, neutroner och elektroner i en neutral atom resulterar i ett heltal kommer beteendet att vara boson.

Hur ett fermioniskt kondensat erhölls

Ett år innan man uppnådde fermionkondensatet uppnåddes bildningen av molekyler med fermioniska atomer som bildade tätt kopplade par som uppträdde som bosoner. Detta anses emellertid inte som ett rent fermioniskt kondensat utan snarare liknar ett bosoniskt kondensat.

Men vad som åstadkoms den 16 december 2003 av teamet av Deborah Jin, Markus Greiner och Cindy Regal från JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var bildandet av ett kondensat av par av individuella fermioniska atomer i en gas.

I detta fall bildar paret atomer inte en molekyl utan rör sig tillsammans på ett korrelerat sätt. Således fungerar paret av fermioniska atomer som en boson, varför deras kondensation har uppnåtts.

För att uppnå denna kondensation startade JILA-teamet från en gas med kalium-40 atomer (som är fermioner), som var innesluten i en optisk fälla vid 300 nanokelvin.

Gasen utsattes sedan för ett oscillerande magnetfält för att förändra den avvisande växelverkan mellan atomer och förvandla den till en attraktiv, genom ett fenomen som kallas "Fesbach resonans."

Genom att anpassa magnetfältets parametrar på lämpligt sätt bildar atomerna Cooper-par i stället för molekyler. Sedan fortsätter den att kyla för att erhålla det fermioniska kondensatet.

Applikationer och exempel

Tekniken som utvecklats för att uppnå fermioniska kondensat, där atomer praktiskt manipuleras nästan individuellt, möjliggör utveckling av kvantberäkning, bland andra tekniker.

Det kommer också att förbättra förståelsen för fenomen som supraledningsförmåga och överflödighet, vilket gör att nya material med speciella egenskaper. Vidare har det upptäckts att det finns en mellanliggande punkt mellan molekylernas superfluiditet och den konventionella genom bildandet av Cooper-par.

Manipuleringen av ultraljudatomer gör att vi kan förstå skillnaden mellan dessa två sätt att producera superfluider, vilket säkert kommer att resultera i utvecklingen av högtemperatur superledningsförmåga.

Idag finns faktiskt superledare att även om de inte arbetar vid rumstemperatur, arbetar de vid temperaturer av flytande kväve, vilket är relativt billigt och lätt att få.

Genom att utvidga konceptet med fermioniska kondensat utöver de atomiska fermiongaserna kan man hitta många exempel där fermioner gemensamt upptar kvantnivåer med låg energi.

De första som redan sagt är elektronerna i en superledare. Dessa är fermioner som anordnas i par för att uppta de lägsta kvantnivåerna vid låga temperaturer, som uppvisar kollektivt bosonliknande beteende och minskar viskositeten och motståndet mot noll.

Ett annat exempel på fermionisk gruppering i lågenergitillstånd är kvark-kondensat. Helium-3-atomen är också en fermion, men vid låga temperaturer bildar den Cooper-par av två atomer som uppför sig som bosoner och uppvisar överflödigt beteende.

referenser

1. K Goral och K Burnett. Fermionisk först för kondensat. Återställd från: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenserar. Hämtad från: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers och B Dumé. Fermions kondensat debuterar. Återställd från: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermioniskt kondensat. Återställs från Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermioniskt kondensat. Återställs från Wikiwand.com