FERMIONINEN KONDENSAATTI: OMINAISUUDET, SOVELLUKSET JA ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Fermi lauhde on, että suppeassa merkityksessä, hyvin laimeaa kaasu koostuu fermionic atomeja, jotka on tehty lämpötila lähelle absoluuttista nollapistettä. Tällä tavalla ja sopivissa olosuhteissa ne siirtyvät supernestefaasiin muodostaen uuden aineen aggregaation tilan.

Ensimmäinen fermioninen kondensaatti saatiin Yhdysvalloissa 16. joulukuuta 2003 eri yliopistojen ja instituutioiden fyysikkojen ryhmän ansiosta. Kokeessa käytettiin noin 500 tuhatta kalium-40 atomia, jotka altistettiin muuttuvalle magneettikentälle ja lämpötilaan 5 x ^10-8 kelviniä.

Suprajohtava magneetti. Lähde: pixabay

Tätä lämpötilaa pidetään lähellä absoluuttista nollaa ja on huomattavasti matalampi kuin galaktien välisen tilan lämpötila, joka on noin 3 kelviniä. Lämpötilan absoluuttisen nollan ymmärretään olevan 0 kelviniä, mikä vastaa -273,15 celsiusastetta. Joten 3 kelviniä vastaa -270,15 celsiusastetta.

Jotkut tutkijat pitävät fermionista kondensaattia aineen sukupuolen tilassa. Neljä ensimmäistä tilaa ovat kaikille tutumpia: kiinteä, nestemäinen, kaasu ja plasma.

Aikaisemmin viides ainetila oli saatu aikaan, kun bosoniatomien kondensaatti saavutettiin. Tämä ensimmäinen kondensaatti luotiin vuonna 1995 erittäin laimeasta rubidium-87-kaasusta, joka jäähdytettiin 17 x ^10-8 kelviniin.

Matalien lämpötilojen merkitys

Atomit käyttäytyvät hyvin eri tavalla lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa, riippuen niiden luontaisesta kulmaliikkeestä tai spinistä.

Tämä jakaa hiukkaset ja atomit kahteen luokkaan:

- Pommit, joilla on kokonaislukuinen spin (1, 2, 3,…).

- Fermionit, joissa on puoliluku kokonaispölyä (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bosoneilla ei ole rajoituksia siinä mielessä, että kaksi tai useampi heistä voi käyttää samaa kvantitilaa.

Toisaalta fermionit täyttävät Paulin poissulkemisperiaatteen: kaksi tai useampi fermioni ei voi viedä samaa kvanttilaa, toisin sanoen: kvantitilaa kohden voi olla vain yksi fermioni.

Tämä perimmäinen ero bosonien ja fermionien välillä tekee fermionisten kondensaattien hankkimisesta vaikeampaa kuin bosonic-kondensaattien.

Jotta fermionit miehittäisivät kaikki alemmat kvantitasot, on välttämätöntä, että ne kohdistuvat aiemmin pareittain, jotta muodostuu ns. “Cooper-parit”, joilla on bosoninen käyttäytyminen.

Historia, säätiöt ja ominaisuudet

Vuonna 1911, kun Heike Kamerlingh Onnes tutki erittäin alhaisiin lämpötiloihin altistetun elohopean resistenssiä käyttämällä nestemäistä heliumia jäähdytysaineena, hän huomasi, että saavutettuaan lämpötilan 4,2 K (-268,9 Celsius) vastus laski äkillisesti nollaan..

Ensimmäinen suprajohdin oli löydetty odottamattomalla tavalla.

Tietämättä sitä, HK Onnes oli onnistunut laittamaan johtavat elektronit kaikki pienimmälle kvantitasolle, tosiasia, että periaatteessa ei ole mahdollista, koska elektronit ovat fermioneja.

Oli saavutettu, että elektronit siirtyivät metallin sisällä olevaan supernestefaasiin, mutta koska niillä on sähkövaraus, ne aiheuttavat sähkövarauksen virtauksen, jolla ei ole viskositeettia ja siten nolla sähkövastus.

HK Onnes itse Leidenissä, Alankomaissa, oli huomannut, että kylmäaineena käyttämästään heliumista tuli supernesteistä, kun lämpötila oli 2,2 K (-270,9 Celsius).

Tietämättömästi HK Onnes on onnistunut ensimmäistä kertaa yhdistämään heliumiatomit, joilla hän jäähdytti elohopeaa alhaisimmalla kvantitasolla. Ohitettuaan hän tajusi myös, että kun lämpötila oli alle tietyn kriittisen lämpötilan, helium siirtyi supernestefaasiin (viskositeetti nolla).

Suprajohtavuuden teoria

Helium-4 on bosoni ja käyttäytyy sellaisenaan, siksi oli mahdollista siirtyä normaalista nestefaasista supernestefaasiin.

Kumpaakaan näistä ei kuitenkaan pidetä fermionisena tai bosonisena kondensaattina. Suprajohtavuuden tapauksessa fermionit, kuten elektronit, olivat elohopean kidehilassa; ja superfluidisen heliumin tapauksessa se oli siirtynyt nestefaasista superfluidifaasiin.

Suprajohtavuuden teoreettinen selitys tuli myöhemmin. Se on tunnettu vuonna 1957 kehitetty BCS-teoria.

Teorian mukaan elektronit ovat vuorovaikutuksessa kidehilan kanssa, jolloin muodostuu pareja, jotka hylkivät toistensa sijaan ja houkuttelevat toisiaan muodostaen "Cooper-pareja", jotka toimivat bosoneina. Tällä tavalla elektronit kokonaisuutena voivat miehittää pienimmän energian kvantitilat, kunhan lämpötila on riittävän matala.

Kuinka tuottaa fermionikondensaatti?

Laillisen fermionin tai bosonikondensaatin on oltava lähtökohta erittäin laimeasta kaasusta, joka koostuu fermionisista tai bosonisista atomeista, joka jäähdytetään siten, että sen kaikki partikkelit menevät alimpaan kvanttilaan.

Koska tämä on paljon monimutkaisempaa kuin bosonikondensaatin saaminen, vasta viime aikoina on luotu tällaisia ​​kondensaatteja.

Fermionit ovat hiukkasia tai konglomeraatteja hiukkasista, joiden spin on puoliksi kokonainen. Elektroni, protoni ja neutroni ovat kaikki ½ spin-hiukkasia.

Helium-3: n ydin (kaksi protonia ja yksi neutroni) käyttäytyy kuin fermioni. Kalium-40: n neutraaliatomissa on 19 protonia + 21 neutronia + 19 elektronia, jotka lisäävät parittoman määrän 59, joten se käyttäytyy fermionina.

Välittäjän hiukkaset

Vuorovaikutuksen välittävät hiukkaset ovat bosoneja. Näistä hiukkasista voidaan mainita seuraavat:

- Fotonit (sähkömagneettisuuden välittäjät).

- Gluoni (vahvan ydinvuorovaikutuksen välittäjät).

- Bosonit Z ja W (välittäjät heikosta ydinvuorovaikutuksesta).

- Graviton (gravitaation vuorovaikutuksen välittäjät).

Yhdistetyt bosonit

Yhdistelmäbossien joukossa ovat seuraavat:

- Deuteriumydin (1 protoni ja 1 neutroni).

- Helium-4-atomi (2 protonia + 2 neutronia + 2 elektronia).

Aina kun neutraalien atomien protonien, neutronien ja elektronien summa johtaa kokonaislukuun, käyttäytyminen on bosonia.

Kuinka fermioninen kondensaatti saatiin

Vuotta ennen fermionikondensaatin saavuttamista oli saatu aikaan molekyylejä, joissa oli fermionisia atomeja, jotka muodostivat tiiviisti kytkettyjä pareja, jotka käyttäytyivät kuin bosonit. Tätä ei kuitenkaan pidetä puhtaana fermionisena kondensaattina, vaan pikemminkin bosonisena kondensaattina.

Mutta mitä Deborah Jinin, Markus Greinerin ja Cindy Regalin ryhmä JILA-laboratoriosta, Coloradon Boulderista, teki 16. joulukuuta 2003, oli kondensaatin muodostuminen parista yksittäisiä fermionisia atomeja kaasussa.

Tässä tapauksessa atomiparit eivät muodosta molekyyliä, vaan liikkuvat yhdessä korreloidulla tavalla. Siten kokonaisuutena fermionisten atomien pari toimii bosonina, joten niiden kondensaatio on saavutettu.

Tämän kondensaation aikaansaamiseksi JILA-ryhmä aloitti kaasusta, jossa oli kalium-40 atomia (jotka ovat fermioneja), joka oli suljettu optiseen ansaan 300 nanokelvinin paineessa.

Kaasu alistettiin sitten värähtelevälle magneettikentälle atomien välisen heijastavan vuorovaikutuksen muuttamiseksi ja sen muuttamiseksi houkuttelevaksi ilmiön, joka tunnetaan nimellä "Fesbach-resonanssi", kautta.

Magneettikentän parametrien säätäminen antaa atomille mahdollisuuden muodostaa Cooper-pareja molekyylien sijasta. Sitten se jatkaa jäähdytystä fermionisen kondensaatin saamiseksi.

Sovellukset ja esimerkit

Fermionisten kondensaattien aikaansaamiseksi kehitetty tekniikka, jossa atomeja käytännössä manipuloidaan melkein yksilöllisesti, mahdollistaa kvanttilaskennan kehittämisen muun tekniikan joukossa.

Se parantaa myös ilmiöiden, kuten suprajohtavuuden ja ylivirtauksen, ymmärtämistä, mahdollistaen uusien materiaalien, joilla on erityisominaisuuksia. Lisäksi on havaittu, että molekyylien supernopeuden ja tavanomaisen välillä on välipiste muodostamalla Cooper-pareja.

Äärimaisten atomien manipulointi antaa meille mahdollisuuden ymmärtää ero näiden kahden supernesteiden tuotantotavan välillä, mikä johtaa varmasti korkean lämpötilan suprajohtavuuden kehitykseen.

Itse asiassa nykyään on olemassa suprajohteita, jotka vaikka eivät toimi huoneenlämmössä, ne toimivat nestemäisen typen lämpötiloissa, mikä on suhteellisen halpaa ja helppo saada.

Laajentamalla fermionisten kondensaattien käsitettä atomisten fermionikaasujen ulkopuolelle, voidaan löytää lukuisia esimerkkejä, joissa fermionit yhdessä vievät alhaisen energian kvantitasoja.

Ensimmäiset, kuten jo sanottiin, ovat suprajohtimen elektronit. Nämä ovat fermioneja, jotka kohdistuvat pareittain miehittääkseen alimmat kvantitasot alhaisissa lämpötiloissa, osoittaen kollektiivista bosonimaista käyttäytymistä ja vähentäen viskositeettia ja vastuskykyä nollaan.

Toinen esimerkki fermionisesta ryhmittelystä alhaisen energian tilassa on kvarkkikondensaatit. Myös helium-3-atomi on fermioni, mutta alhaisissa lämpötiloissa se muodostaa kahden atomin Cooper-pareja, jotka käyttäytyvät kuin bosonit ja joilla on supernesteinen käyttäytyminen.

Viitteet

1. K Goral ja K Burnett. Fermioninen ensimmäinen lauhteille. Palautettu osoitteesta: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensoituu. Haettu osoitteesta users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers ja B Dumé. Fermions-kondensaatti debytoi. Palautettu osoitteesta: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermioninen lauhde. Palautettu Wikiwand.com-sivustolta
5. Wikiwand. Fermioninen lauhde. Palautettu Wikiwand.com-sivustolta