FERMIONISK KONDENSAT: EGENSKAPER, ANVENDELSER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Et Fermi-kondensat er i strengeste forstand en veldig fortynnet gass som består av fermioniske atomer som har blitt utsatt for en temperatur nær absolutt null. På denne måten, og under passende forhold, går de over i en overflødig fase og danner en ny tilstand av aggregering av materie.

Det første fermioniske kondensatet ble oppnådd 16. desember 2003 i USA, takket være et team av fysikere fra forskjellige universiteter og institusjoner. Eksperimentet brukte rundt 500 tusen kalium-40 atomer utsatt for et variabelt magnetfelt og en temperatur på 5 x ^10-8 Kelvin.

Superledende magnet. Kilde: pixabay

Den temperaturen regnes som nær absolutt null og er langt lavere enn temperaturen i intergalaktisk rom, som er omtrent 3 Kelvin. Den absolutte temperaturen null er forstått å være 0 Kelvin, som tilsvarer -273,15 grader celsius. Så 3 Kelvin tilsvarer -270,15 grader celsius.

Noen forskere anser fermionisk kondensat for å være kjønnets tilstand. De fire første delstatene er mest kjent for alle: fast stoff, væske, gass og plasma.

Tidligere hadde man oppnådd en femte sakstilstand når et kondensat av bosoniske atomer ble oppnådd. Dette første kondensatet ble opprettet i 1995 fra en veldig fortynnet rubidium-87-gass som ble avkjølt til 17 x ^10-8 Kelvin.

Betydningen av lave temperaturer

Atomer oppfører seg veldig forskjellig ved temperaturer nær absolutt null, avhengig av verdien av deres egenvinkelmoment, eller snurr.

Dette deler partikler og atomer i to kategorier:

- Bosonene, som er de med heltallspinn (1, 2, 3, …).

- Fermions, som er de med halvtallspinn (1/2, 3/2, 5/2, …).

Bosoner har ingen begrensninger, i den forstand at to eller flere av dem kan okkupere den samme kvantetilstanden.

På den annen side oppfyller fermioner Pauli-eksklusjonsprinsippet: to eller flere fermioner kan ikke okkupere den samme kvantetilstanden, eller med andre ord: det kan bare være en fermion per kvantetilstand.

Denne grunnleggende forskjellen mellom bosoner og fermioner gjør fermioniske kondensater vanskeligere å få enn bosoniske.

For at fermionene skal okkupere alle de laveste kvantnivåene, er det nødvendig at de tidligere samkjører par, for å danne de såkalte “Cooper-parene” som har bosonisk oppførsel.

Historie, stiftelser og eiendommer

Tilbake i 1911, da Heike Kamerlingh Onnes studerte motstanden til kvikksølv utsatt for meget lave temperaturer ved bruk av flytende helium som kjølevæske, fant han ut at når temperaturen var 4,2 K (-268,9 Celsius), falt motstanden brått til null. .

Den første superlederen ble funnet på en uventet måte.

Uten å vite det, hadde HK Onnes klart å sette ledningselektronene alle sammen på det laveste kvantenivået, et faktum som i prinsippet ikke er mulig fordi elektronene er fermioner.

Det var oppnådd at elektronene gikk over til overflatefasen inne i metallet, men siden de har en elektrisk ladning, forårsaker de en strøm av elektrisk ladning med null viskositet og følgelig null elektrisk motstand.

HK Onnes selv i Leiden, Nederland hadde funnet ut at heliumet som han brukte som kuldemedium ble overflødig når temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) ble nådd.

Uvitende hadde HK Onnes for første gang lyktes i å samle heliumatomene som han avkjølte kvikksølvet på deres laveste kvantumnivå. I forbifarten innså han også at når temperaturen var under en viss kritisk temperatur, passerte heliumet inn i overflatefasen (null viskositet).

Teorien om superledelse

Helium-4 er en boson og oppfører seg som sådan, det var derfor det var mulig å gå fra normal væskefase til overflødig fase.

Ingen av disse regnes imidlertid som et fermionisk eller bosonisk kondensat. Når det gjelder superledelse, var fermioner, som elektroner, innenfor krystallgitteret til kvikksølv; og i tilfelle av overflødig helium, hadde den flytende fasen blitt ført til den overflødige fasen.

Den teoretiske forklaringen på superledelse kom senere. Det er den velkjente BCS-teorien som ble utviklet i 1957.

Teorien sier at elektroner interagerer med krystallgitterformende par som i stedet for å frastøte hverandre, tiltrekker hverandre og danner "Cooperpar" som fungerer som bosoner. På denne måten kan elektronene som helhet okkupere de laveste energikvantumtilstandene, så lenge temperaturen er lav nok.

Hvordan produsere et fermionkondensat?

Et legitimt fermion- eller bosonkondensat må starte fra en veldig fortynnet gass som består av fermioniske eller bosoniske atomer, som avkjøles på en slik måte at partiklene alle går til de laveste kvantetilstandene.

Siden dette er mye mer komplisert enn å få et boson-kondensat, er det først nylig at disse typene kondensater er blitt til.

Fermions er partikler eller konglomerater av partikler med halv hel spinn. Elektron, proton og nøytron er alle ½ spinnpartikler.

Kjernen i helium-3 (to protoner og ett nøytron) oppfører seg som en fermion. Det nøytrale atomet til kalium-40 har 19 protoner + 21 nøytroner + 19 elektroner, som legger opp til det odde tallet 59, så det oppfører seg som en fermion.

Formidlerpartikler

De formidlende partiklene i interaksjonene er bosoner. Blant disse partiklene kan vi nevne følgende:

- Fotoner (formidlere av elektromagnetisme).

- Gluon (formidlere av sterk nukleær interaksjon).

- Bosons Z og W (formidlere av svak nukleær interaksjon).

- Graviton (formidlere av gravitasjonsinteraksjon).

Sammensatte bosoner

Blant sammensatte bosoner er følgende:

- Deuterium nucleus (1 proton og 1 neutron).

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

Når summen av protoner, nøytroner og elektroner av et nøytralt atom resulterer i et helt tall, vil oppførselen være boson.

Hvordan man fikk et fermionisk kondensat

Et år før oppnåelse av fermionkondensatet ble det oppnådd dannelse av molekyler med fermioniske atomer som dannet tett koblede par som oppførte seg som bosoner. Dette anses imidlertid ikke som et rent fermionisk kondensat, men ligner snarere på et bosonisk kondensat.

Men det som ble oppnådd 16. desember 2003 av teamet til Deborah Jin, Markus Greiner og Cindy Regal fra JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var dannelsen av et kondensat av par individuelle fermioniske atomer i en gass.

I dette tilfellet danner ikke paret atomer et molekyl, men beveger seg sammen på en korrelert måte. Dermed fungerer paret av fermioniske atomer som en boson, og deres kondens er oppnådd.

For å oppnå denne kondensasjonen startet JILA-teamet fra en gass med kalium-40 atomer (som er fermioner), som var innesperret i en optisk felle ved 300 nanokelvin.

Gassen ble deretter utsatt for et svingende magnetfelt for å endre det frastøtende samspillet mellom atomer og gjøre det til et attraktivt, gjennom et fenomen kjent som "Fesbach resonans."

Ved å justere parametrene til magnetfeltet på riktig måte, danner atomene Cooper-par i stedet for molekyler. Deretter fortsetter det å avkjøle for å oppnå det fermioniske kondensatet.

Bruksområder og eksempler

Teknologien som er utviklet for å oppnå fermioniske kondensater, der atomer praktiseres praktisk talt individuelt, vil gi mulighet for utvikling av kvanteberegning, blant andre teknologier.

Det vil også forbedre forståelsen av fenomener som superledningsevne og overflødighet, slik at nye materialer med spesielle egenskaper. Videre har det blitt oppdaget at det er et mellomliggende punkt mellom overfluiditeten til molekylene og den konvensjonelle gjennom dannelsen av Cooper-par.

Manipulering av ultrakalte atomer vil tillate oss å forstå forskjellen mellom disse to måtene å produsere superfluider på, noe som sikkert vil resultere i utvikling av høy temperatur superledningsevne.

Faktisk er det i dag superledere at selv om de ikke fungerer i romtemperatur, fungerer de ved temperaturer av flytende nitrogen, noe som er relativt billig og lett å få tak i.

Ved å utvide konseptet med fermioniske kondensater utover de atomiske fermion-gassene, kan det finnes mange eksempler der fermioner samlet opptar lave energikvantum.

De første som allerede sagt er elektronene i en superleder. Dette er fermioner som samkjører parvis for å okkupere de laveste kvantumnivåene ved lave temperaturer, som viser kollektiv bosonisk lignende oppførsel og reduserer viskositeten og motstanden mot null.

Et annet eksempel på fermionisk gruppering i lavenergitilstander er kvarkkondensater. Også helium-3-atomet er et fermion, men ved lave temperaturer danner det Cooper-par av to atomer som oppfører seg som bosoner og viser overflødig oppførsel.

referanser

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