FERMIONISK KONDENSAT: EGENSKABER, ANVENDELSER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Et Fermi-kondensat er i strengeste forstand en meget fortyndet gas, der består af fermioniske atomer, der har været udsat for en temperatur tæt på absolut nul. På denne måde og under passende betingelser passerer de ind i en overfladisk fase og danner en ny tilstand af aggregering af stof.

Det første fermioniske kondensat blev opnået den 16. december 2003 i USA takket være et team af fysikere fra forskellige universiteter og institutioner. Eksperimentet anvendte ca. 500 tusinde kalium-40 atomer udsat for et variabelt magnetisk felt og en temperatur på 5 x ^10-8 Kelvin.

Superledende magnet. Kilde: pixabay

Denne temperatur betragtes som tæt på absolut nul og er langt lavere end temperaturen i det intergalaktiske rum, hvilket er ca. 3 Kelvin. Den absolutte temperatur nul forstås at være 0 Kelvin, hvilket svarer til -273,15 grader Celsius. Så 3 Kelvin svarer til -270,15 grader Celsius.

Nogle forskere anser fermionisk kondensat for at være kønstilstanden. De første fire tilstande er mest kendte for alle: faststof, væske, gas og plasma.

Tidligere var der opnået en femte stoftilstand, når der blev opnået et kondensat af bosoniske atomer. Dette første kondensat blev skabt i 1995 fra en meget fortyndet rubidium-87-gas afkølet til 17 x ^10-8 Kelvin.

Betydningen af ​​lave temperaturer

Atomer opfører sig meget forskelligt ved temperaturer tæt på absolut nul, afhængigt af værdien af ​​deres egen vinkelmoment eller spin.

Dette opdeler partikler og atomer i to kategorier:

- Bosonerne, som er dem med heltalspind (1, 2, 3,…).

- Fermions, som er dem med semi-heltal spin (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bosoner har ingen begrænsninger i den forstand, at to eller flere af dem kan besætte den samme kvantetilstand.

På den anden side opfylder fermioner Pauli-ekskluderingsprincippet: to eller flere fermioner kan ikke besætte den samme kvantetilstand, eller med andre ord: der kan kun være en fermion pr. Kvantetilstand.

Denne grundlæggende forskel mellem bosoner og fermioner gør fermioniske kondensater vanskeligere at opnå end bosoniske.

For at fermionerne skal optage alle de laveste kvante niveauer, er det nødvendigt, at de tidligere er parret sammen for at danne de såkaldte “Cooper-par”, der har bosonisk opførsel.

Historie, fonde og ejendomme

Tilbage i 1911, da Heike Kamerlingh Onnes studerede resistensen for kviksølv udsat for meget lave temperaturer ved hjælp af flydende helium som et kølemiddel, fandt han, at når han nåede temperaturen på 4,2 K (-268,9 Celsius), faldt modstanden brat til nul..

Den første superleder var fundet på en uventet måde.

Uden at vide det, havde HK Onnes været i stand til at sammensætte ledningselektronerne alle på det laveste kvanteniveau, et faktum, der i princippet ikke er muligt, fordi elektronerne er fermioner.

Det var opnået, at elektronerne ledte til den overfladiske fase inde i metallet, men da de har en elektrisk ladning, forårsager de en strøm af elektrisk ladning med nul viskositet og følgelig nul elektrisk modstand.

HK Onnes selv i Leiden, Holland havde fundet, at heliumet, som han brugte som kølemiddel, blev overflødigt, når temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) blev nået.

Uvidende havde det lykkedes HK Onnes for første gang at samle de heliumatomer, som han afkølede kviksølvet på deres laveste kvantniveau. Som forbipasserende indså han også, at når temperaturen var under en bestemt kritisk temperatur, passerede helium ind i den overfladiske fase (nulviskositet).

Teorien om superledelse

Helium-4 er en boson og opfører sig som sådan, det var derfor, det var muligt at gå fra den normale flydende fase til den overfladiske fase.

Ingen af ​​disse betragtes imidlertid som et fermionisk eller bosonisk kondensat. I tilfælde af superledningsevne var fermioner ligesom elektroner inden for kviksølvets krystalgitter; og i tilfælde af superfluid helium var det gået fra den flydende fase til den overfladiske fase.

Den teoretiske forklaring på superledelse kom senere. Det er den velkendte BCS-teori, der blev udviklet i 1957.

Teorien siger, at elektronerne interagerer med krystalgitteret, der danner par, som i stedet for at afvise hinanden, tiltrækker hinanden og danner “Cooper-par”, der fungerer som bosoner. På denne måde kan elektronerne som helhed optage de laveste energikvantumtilstande, så længe temperaturen er lav nok.

Hvordan produceres et fermionkondensat?

Et legitimt fermion- eller boson-kondensat skal starte fra en meget fortyndet gas, der består af fermioniske eller bosoniske atomer, der afkøles på en sådan måde, at dens partikler alle går til de laveste kvantetilstande.

Da dette er meget mere kompliceret end at få et boson-kondensat, er det først for nylig, at disse typer kondensater er blevet oprettet.

Fermioner er partikler eller konglomerater af partikler med halv hele spin. Elektronet, protonen og neutronen er alle ½ spinpartikler.

Kernen i helium-3 (to protoner og en neutron) opfører sig som en fermion. Det neutrale atom af kalium-40 har 19 protoner + 21 neutroner + 19 elektroner, som tilføjer til det ulige antal 59, så det opfører sig som en fermion.

Mæglerpartikler

De formidlende partikler i interaktionerne er bosoner. Blandt disse partikler kan vi nævne følgende:

- Fotoner (formidlere af elektromagnetisme).

- Gluon (formidlere af stærk nuklear interaktion).

- Bosons Z og W (formidlere af svag nuklear interaktion).

- Graviton (formidlere af gravitationsinteraktion).

Sammensatte bosoner

Blandt de sammensatte bosoner er følgende:

- Deuterium nucleus (1 proton og 1 neutron).

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

Hver gang summen af ​​protoner, neutroner og elektroner i et neutralt atom resulterer i et heltal, vil opførslen være boson.

Hvordan man opnåede et fermionisk kondensat

Et år før opnåelse af fermionkondensatet blev der opnået dannelse af molekyler med fermioniske atomer, der dannede tæt koblede par, der opførte sig som bosoner. Dette betragtes dog ikke som et rent fermionisk kondensat, men ligner snarere et bosonisk kondensat.

Men hvad der blev opnået den 16. december 2003 af teamet af Deborah Jin, Markus Greiner og Cindy Regal fra JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var dannelsen af ​​et kondensat af par individuelle fermioniske atomer i en gas.

I dette tilfælde danner paret atomer ikke et molekyle, men bevæger sig sammen på en korreleret måde. Som en helhed fungerer paret af fermioniske atomer som en boson, hvorfor deres kondens er opnået.

For at opnå denne kondensation startede JILA-teamet fra en gas med kalium-40 atomer (som er fermioner), som var indesluttet i en optisk fælde ved 300 nanokelvin.

Gassen blev derefter udsat for et svingende magnetfelt for at ændre den frastødende interaktion mellem atomer og gøre den til en attraktiv, gennem et fænomen kendt som "Fesbach resonans."

Justering af parametrene for magnetfeltet passende gør det muligt for atomerne at danne Cooper-par i stedet for molekyler. Derefter fortsætter det med at afkøle for at opnå det fermioniske kondensat.

Anvendelser og eksempler

Teknologien, der er udviklet for at opnå fermioniske kondensater, hvor atomer praktisk talt manipuleres næsten individuelt, giver mulighed for udvikling af kvanteberegning, blandt andre teknologier.

Det vil også forbedre forståelsen af ​​fænomener som superledningsevne og superfluiditet, hvilket tillader nye materialer med specielle egenskaber. Det er endvidere blevet opdaget, at der er et mellemliggende punkt mellem overfluiditeten af ​​molekylerne og det konventionelle gennem dannelsen af ​​Cooper-par.

Manipulationen af ​​ultrakoldt atomer vil give os mulighed for at forstå forskellen mellem disse to måder at fremstille superfluider, hvilket helt sikkert vil resultere i udviklingen af ​​højtemperatur superledningsevne.

Faktisk er der i dag superledere, at selv om de ikke fungerer ved stuetemperatur, arbejder de ved temperaturer af flydende nitrogen, hvilket er relativt billigt og let at få.

Ved at udvide konceptet med fermioniske kondensater ud over de atomiske fermion-gasser kan der findes adskillige eksempler, hvor fermioner samlet optager kvantniveauer med lavt energi.

De første som allerede nævnt er elektronerne i en superleder. Dette er fermioner, der er parret sammen for at optage de laveste kvante niveauer ved lave temperaturer, der udviser kollektiv bosonisk lignende opførsel og reducerer viskositet og modstand mod nul.

Et andet eksempel på fermionisk gruppering i lavenergistater er kvark-kondensater. Helium-3-atomet er også et fermion, men ved lave temperaturer danner det Cooper-par af to atomer, der opfører sig som bosoner og udviser overfladisk opførsel.

Referencer

1. K Goral og K Burnett. Fermionisk først til kondensater. Gendannes fra: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenseres. Hentet fra: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers og B Dumé. Fermions kondensat debuterer. Gendannes fra: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Gendannes fra Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Gendannes fra Wikiwand.com