Fermioniczne właściwości kondensatu, zastosowania i przykłady

A Kondensat Fermi W najściślejszym znaczeniu jest to bardzo rozcieńczony gaz utworzony przez atomy fermioniczne, które uległy temperaturze zbliżonej do bezwzględnego zera. W ten sposób i w odpowiednich warunkach przechodzą do zbędnej fazy, tworząc nowy stan agregacji materii.

Pierwszy kondensat fermioniczny uzyskano 16 grudnia 2003 r. W Stanach Zjednoczonych, dzięki zespołowi fizyków z kilku uniwersytetów i instytucji. Eksperyment zastosowano około 500 tysięcy atomów potasu-40 w zmiennym polu magnetycznym i w temperaturze 5 x 10^-8 kelwin.

Magnes nadprzewodników. Źródło: Pixabay

Temperatura ta jest uważana za blisko bezwzględnego zera i jest znacznie niższa niż temperatura przestrzeni międzygalaktycznej, która wynosi około 3 Kelvin. Temperatura bezwzględna Zero jest rozumiane jako 0 Kelvin jest osiągnięte równoważne do -273,15 stopni Celsjusza. Następnie 3 Kelvin odpowiada -270,15 stopni Celsjusza.

Niektórzy naukowcy uważają, że kondensat fermioniczny jest statusem płci materii. Pierwsze cztery stany są bardziej znane wszystkim: stałym, ciekłym, gazowym i plazmowym.

Wcześniej uzyskano piąty stan materii, gdy osiągnięto kondensat atomów bozonicznych. Ten pierwszy kondensat został utworzony w 1995 roku z bardzo rozcieńczonego gazu Rubidio-87 schłodzonego do 17 x 10^-8 kelwin.

[TOC]

Znaczenie niskich temperatur

Atomy zachowują się bardzo inaczej niż temperatury zbliżone do bezwzględnego zera, w zależności od wartości jego wewnętrznego pędu kątowego lub spinu.

Dzieli to cząsteczki i atomy na dwie kategorie:

- Bozony, które mają cały spin (1, 2, 3, ...).

- Fermiony, które mają spin półfiralny (1/2, 3/2, 5/2, ...).

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

Z drugiej strony Fermiony spełniają zasadę wykluczenia Pauli: Dwa lub więcej fermionów nie może zajmować tego samego stanu kwantowego lub innymi słowy: może istnieć tylko fermion według stanu kwantowego.

Ta fundamentalna różnica między bozonami i fermionami powoduje fermioniczny kondensat.

Aby fermiony zajmowały wszystkie najniższe poziomy kwantowe, konieczne jest, aby wcześniej wyrównały się w parach, aby sformułować połączenia ”Pary Coopera„Mają zachowanie bozoniczne.

Może ci służyć: Darcy Law

Historia, fundamenty i właściwości

W 1911 r., Kiedy Heike Kamerlingh Onnes badał oporność rtęci poddanej bardzo niskim temperaturze przy użyciu ciekłego helu jako czynnika chłodniczego, stwierdził, że po osiągnięciu temperatury 4,2 K (-268,9 celsjusza) opór spadł nagle do zera.

Pierwszy nadprzewodniczący został znaleziony w sposób niezwiązany.

Nie wiedząc o tym, h.K. Onnesowi udało się umieścić elektrony jazdy razem na najniższym poziomie kwantowym, co zasadniczo nie jest możliwe, ponieważ elektrony są fermionami.

Elektrony zostały osiągnięte do zbędnej fazy wewnątrz metalu, ale ponieważ mają ładunek elektryczny, powodują one przepływ ładunku elektrycznego o zerowej lepkości, a tym samym zero odporności elektrycznej.

Ten sam h.K. Onnes w Leiden, Holland odkrył, że hel, którego użył jako czynnik chłodniczy, przeszedł do zbędnego stanu, gdy osiągnięto temperaturę 2,2 K (-270,9 Celsjusza).

Nie wiedząc o tym, h.K. Onnes udało się po raz pierwszy umieścić razem na swoim niższym poziomie kwantowym do atomów helu, z którymi ostygnął do rtęci. Nawiasem mówiąc, zdał również sobie sprawę, że kiedy temperatura była poniżej pewnej temperatury krytycznej, hel przeszedł do zbędnej fazy (zerowa lepkość).

Teoria nadprzewodnictwa

Helio-4 jest bozonem i zachowuje się jako taki, więc możliwe było przejście od normalnej fazy ciekłej do zbędnej fazy.

Jednak żaden z nich nie jest uważany za kondensat fermioniczny lub bozoniczny. W przypadku nadprzewodnictwa fermiony takie jak elektrony były wewnątrz krystalicznej sieci rtęci; Aw przypadku zbędnego helu przeszedł z fazy ciekłej do zbędnej fazy.

Teoretyczne wyjaśnienie nadprzewodnictwa nastąpiło później. Jest to znana teoria BCS opracowana w 1957 roku.

Teoria stwierdza, że ​​elektrony oddziałują z parami sieci krystalicznej, które zamiast je powtarzać. W ten sposób elektrony jako całość mogą zajmować kwantowe stany o niższej energii, o ile temperatura jest wystarczająco niska.

Jak wyprodukować kondensat Fermions?

Uzasadniony kondensat fermionów lub bozonów musi zaczynać się od bardzo rozcieńczonego gazu złożonego z atomów fermionicznych lub bozonicznych, który ochładza się w taki sposób, że wszystkie ich cząsteczki przechodzą do najniższych stanów kwantowych.

Może ci służyć: galaktyka spiralna Barrada: formacja, ewolucja, cechy

Ponieważ jest to o wiele bardziej skomplikowane niż uzyskanie kondensatu bosonów, dopiero niedawno, gdy powstały tego rodzaju kondensat.

Fermiony to cząstki lub konglomeraty cząstek o całkowitym spinu półprzezroczystym. Elektron, proton i neutron to cząstki z spinem ½.

Rdzeń helio-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 nieparzystej liczby 59, więc zachowuje się jak fermion.

Pośredniczące cząstki

Pośredniczące cząstki interakcji to bozony. Wśród tych cząstek możemy wymienić następujące:

- Fotony (mediatory elektromagnetyzmu).

- Gluon (mediatorzy silnej interakcji nuklearnej).

- Bozony Z i W (słabe mediatory interakcji jądrowej).

- Gravitón (mediatorzy interakcji grawitacyjnych).

Bozony złożone

Wśród złożonych bozonów są następujące:

- Jądro deuterowe (1 proton i 1 neutron).

- Atom HELIO-4 (2 protony + 2 neutrony + 2 elektrony).

Pod warunkiem, że suma protonów, neutronów i elektronów neutralnego atomu jest w całkowitej liczbie.

Jak uzyskano fermioniczny kondensat

Rok przed osiągnięciem kondensatu fermionów, tworzenie cząsteczek z atomami fermionicznymi, które powstały silnie sprzężone pary, które zachowały się jak bozony. Nie jest to jednak uważane za czysty kondensat fermioniczny, ale raczej przypomina bosoniczny kondensat.

Ale to, co osiągnęło 16 grudnia 2003 r. Przez zespół złożony z Deborah Jin, Markusa Greinera i Cindy Regal z laboratorium Jila w Boulder w Kolorado, było tworzeniem kondensatu par pojedynczych atomów fermionicznych w gazie w gazie w gazie.

W tym przypadku para atomów nie tworzy cząsteczki, ale poruszają się razem w skorelowany sposób. Zatem razem para atomów fermionicznych działa jak bozon, stąd jego kondensacja została osiągnięta.

Aby osiągnąć tę kondensację, zespół Jila rozpoczął od gazu z potasem-40 (które są fermionami), które ograniczono w pułapce optycznej do 300 nanokelvin.

Może ci służyć: czym jest równowaga dynamiczna? (Z przykładem)

Następnie gaz poddano oscylującemu pole magnetyczne, aby zmienić odpychającą interakcję między atomami i przekształcić go w atrakcyjną interakcję, poprzez zjawisko znane jako „rezonans Fesbacha”.

Prawidłowe dostosowanie parametrów pola magnetycznego osiąga się, że forma atomów Coopera zamiast cząsteczek zamiast cząsteczek. Następnie ochładza się osiągnięciem kondensatu fermionicznego.

Aplikacje i przykłady

Technologia opracowana w celu osiągnięcia kondensatu fermionicznego, w którym atomy są praktycznie manipulowane niemal indywidualnie, pozwoli na rozwój obliczeń kwantowych, między innymi technologią.

Poprawi również zrozumienie zjawisk, takich jak nadprzewodnictwo i zbędność, umożliwiając nowe materiały o specjalnych właściwościach. Odkryto również, że istnieje pośrednie punkt między zbędnością cząsteczek a konwencjonalną poprzez powstawanie par Coopera.

Manipulacja atomami ultrafriosów pozwoli nam zrozumieć różnicę między tymi dwoma sposobami wytwarzania zbędnego, co z pewnością spowoduje rozwój nadprzewodnictwa w wysokiej temperaturze.

W rzeczywistości istnieją nadprzewodnicy, że chociaż nie pracują w temperaturze pokojowej, pracują w temperaturach ciekłego azotu, co jest stosunkowo tanie i łatwe do uzyskania.

Rozszerzając koncepcję kondensatu fermionicznego poza gazami atomowymi fermionów, można znaleźć wiele przykładów, w których fermiony łącznie zajmują poziomy kwantowe o niskiej energii.

Pierwsze, jak już powiedziano, to elektrony w nadprzewodniku. Są to fermiony, które są wyrównane w parach, aby zajmować najniższe poziomy kwantowe w niskich temperaturach, wykazując zbiorowe zachowanie bozoniczne i zmniejszając lepkość i odporność na zero.

Innym przykładem grupy fermionicznej w stanach o niskiej energii są kwarki kondensatu. Również atom Helio-3 jest fermionem, ale w niskich temperaturach postacie Coopera dwóch atomów, które zachowują się jak bozony i wykazują zbędne zachowanie.

Bibliografia

1. K Goral i K Burnett. Fermioniczny pierwszy dla kondensatów. Odzyskane z: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensaty. Odzyskane od: użytkowników.Fizyka.Harvard.Edu
3. P Rodgers i B Dumé. Kondensat Ferms debiutuje. Odzyskane z: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Kondensat fermioniczny. Wikiwand wyzdrowiał.com
5. Wikiwand. Kondensat fermioniczny. Wikiwand wyzdrowiał.com