FERMIONSKI KONDENZAT: LASTNOSTI, APLIKACIJE IN PRIMERI - FIZIČNO - 2025

Fermi kondenzat , v ožjem pomenu, zelo razredčenih plinov sestavljena iz fermionskih atomi, ki so bili izpostavljeni temperaturi blizu absolutne ničle. Na ta način in v primernih pogojih preidejo v nadčloveško fazo in tvorijo novo stanje strjevanja snovi.

Prvi fermionski kondenzat je bil pridobljen 16. decembra 2003 v ZDA, zahvaljujoč ekipi fizikov z različnih univerz in institucij. V poskusu je bilo uporabljenih približno 500 tisoč atomov kalija-40, ki so bili izpostavljeni spremenljivemu magnetnemu polju in temperaturi 5 x 10 ^-8 Kelvina.

Superprevodni magnet. Vir: pixabay

Ta temperatura velja za skoraj nič in je precej nižja od temperature medgalaktičnega prostora, ki znaša približno 3 Kelvine. Absolutna nič temperature je 0 Kelvin, kar je enako -273,15 stopinje Celzija. Torej 3 Kelvina ustreza -270,15 stopinj Celzija.

Nekateri znanstveniki menijo, da je fermionski kondenzat spolno stanje materije. Prva štiri stanja so najbolj znana vsem: trdna, tekoča, plinska in plazemska.

Prej smo dobili peto stanje snovi, ko smo dosegli kondenzat bozonskih atomov. Prvi kondenzat je bil ustvarjen leta 1995 iz zelo razredčenega plina rubidij-87, ohlajenega na 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Pomen nizkih temperatur

Atomi se pri temperaturah, ki so blizu absolutne ničle, obnašajo zelo različno, odvisno od vrednosti njihovega notranjega kotnega momenta ali vrtenja.

Delce in atome deli na dve kategoriji:

- bozoni, ki so tisti s celim vrtenjem (1, 2, 3,…).

- Fermioni, ki so tisti s polceličnim vrtenjem (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bozoni nimajo nobenih omejitev, v smislu, da lahko dva ali več njih zasedajo isto kvantno stanje.

Po drugi strani fermioni izpolnjujejo načelo izključitve Paulija: dva ali več fermion ne more zasedati istega kvantnega stanja ali z drugimi besedami: na kvantno stanje lahko obstaja samo en fermion.

Ta temeljna razlika med bozoni in fermioni otežuje pridobivanje fermionskih kondenzatov kot bozonske.

Da bi fermioni zasedli vse nižje kvantne ravni, je potrebno, da se predhodno poravnajo v parih in tako tvorijo tako imenovane Cooperjeve pare, ki imajo bozonsko vedenje.

Zgodovina, temelji in lastnosti

Že leta 1911, ko je Heike Kamerlingh Onnes preučeval odpornost živega srebra, izpostavljenega zelo nizkim temperaturam z uporabo tekočega helija kot hladilne tekočine, je ugotovil, da je ob doseganju temperature 4,2 K (-268,9 Celzija) odpornost naglo padla na nič. .

Prvi superprevodnik so našli nepričakovano.

Kljub temu je HK Onnes uspel elektrone prevodnosti postaviti na najnižjo kvantno raven, kar načeloma ni mogoče, ker so elektroni fermioni.

Elektroni so lahko prešli v fazo presežne tekočine v kovini, ker pa imajo električni naboj, povzročijo tok električnega naboja z nič viskoznosti in posledično nič električnega upora.

Tudi HK Onnes v Leidnu na Nizozemskem je ugotovil, da je helij, ki ga je uporabljal kot hladilno sredstvo, ob doseganju temperature 2,2 K (-270,9 Celzija) postal odvečen.

HK Onnes je nevede vedel, da je prvič združil atome helija, s katerimi je ohlajal živo srebro na najnižji kvantni ravni. Mimogrede je tudi spoznal, da je helij, ko je temperatura pod določeno kritično temperaturo, prešel v fazo presežne tekočine (nič viskoznosti).

Teorija superprevodnosti

Helij-4 je bozon in se obnaša kot tak, zato je bilo mogoče preiti iz običajne tekoče faze v fazo presežne tekočine.

Vendar nobeno od teh ne velja za fermionski ali bozonski kondenzat. V primeru superprevodnosti so bili fermioni, tako kot elektroni, v kristalni rešetki živega srebra; in v primeru superfluidnega helija je prešel iz tekoče v nadčloveško fazo.

Teoretična razlaga o superprevodnosti je prišla pozneje. Gre za dobro znano teorijo BCS, razvito leta 1957.

Teorija navaja, da elektroni medsebojno delujejo s kristalno rešetko, ki tvorita pare, ki se namesto da odbijajo drug drugega, med seboj privlačijo in tvorijo "Cooperjeve pare", ki delujejo kot bozoni. Na ta način lahko elektroni kot celota zasedajo najnižja energetska kvantna stanja, dokler je temperatura dovolj nizka.

Kako proizvesti fermionski kondenzat?

Upravičeni fermion ali bozonov kondenzat mora izhajati iz zelo redčenega plina, sestavljenega iz fermionskih ali bozonskih atomov, ki se hladi tako, da vsi njegovi delci preidejo v najnižja kvantna stanja.

Ker je to veliko bolj zapleteno kot pridobivanje bozonskega kondenzata, so te vrste kondenzatov nastale šele pred kratkim.

Fermioni so delci ali konglomerati delcev s polovico celotnega spina. Elektroni, protoni in nevtroni so vsi ½ spiralni delci.

Jedro helija-3 (dva protona in en nevron) se obnaša kot fermion. Nevtralni atom kalija-40 ima 19 protonov + 21 nevtronov + 19 elektronov, ki seštevajo v liho število 59, zato se obnaša kot fermion.

Delci mediatorja

Posredni delci interakcij so bozoni. Med temi delci lahko naštejemo naslednje:

- fotoni (mediatorji elektromagnetizma).

- Gluon (mediatorji močne jedrske interakcije).

- bozoni Z in W (mediatorji šibkega jedrskega medsebojnega delovanja).

- Graviton (mediatorji gravitacijske interakcije).

Sestavljeni bozoni

Med sestavljenimi bozoni so naslednji:

- Deuterijsko jedro (1 protona in 1 nevtrona).

- atom helija-4 (2 protona + 2 nevtrona + 2 elektrona).

Kadar koli seštevek protonov, nevtronov in elektronov nevtralnega atoma povzroči celo število, bo vedenje bozon.

Kako je bil pridobljen fermionski kondenzat

Leto pred dosego fermionskega kondenzata je bilo doseženo nastajanje molekul s fermionskimi atomi, ki so tvorili tesno spojene pare, ki so se obnašali kot bozoni. Vendar to ne velja za čisti fermionski kondenzat, ampak bolj spominja na bozonski kondenzat.

Toda to, kar sta 16. decembra 2003 dosegla ekipa Deborah Jin, Markus Greiner in Cindy Regal iz laboratorija JILA v Boulderju v Koloradu, je bilo ustvarjanje kondenzata iz parov posameznih fermionskih atomov v plinu.

V tem primeru par atomov ne tvori molekule, ampak se gibljeta skupaj na koreliran način. Tako kot celota par fermionskih atomov deluje kot bozon, zato je bila njihova kondenzacija dosežena.

Da bi dosegli to kondenzacijo, je skupina JILA štartala iz plina s kalijevimi 40 atomi (ki so fermioni), ki je bil zaprt v optični pasti s 300 nanokelvinami.

Plin je bil nato podvržen nihajočemu magnetnemu polju, da bi spremenil odbojno interakcijo med atomi in ga spremenil v privlačno, skozi pojav, znan kot "Fesbachova resonanca".

Z ustreznimi prilagoditvami parametrov magnetnega polja atomi tvorijo Cooperjeve pare namesto molekul. Nato nadaljuje hlajenje, da dobimo fermionski kondenzat.

Vloge in primeri

Tehnologija, ki je bila razvita za doseganje fermionskih kondenzatov, pri katerih se z atomi praktično manipulira skoraj posamično, bo med drugimi tehnologijami omogočila razvoj kvantnega računanja.

Izboljšalo bo tudi razumevanje pojavov, kot sta superprevodnost in pretočnost, ter omogočilo nove materiale s posebnimi lastnostmi. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da obstaja vmesna točka med pretočnostjo molekul in konvencionalno s tvorbo Cooperjevih parov.

Manipulacija ultrahladnih atomov nam bo omogočila, da razumemo razliko med tema dvema načinoma tvorjenja presežne tekočine, kar bo zagotovo povzročilo razvoj visoko temperaturne superprevodljivosti.

Dejansko danes obstajajo superprevodniki, ki sicer ne delujejo pri sobni temperaturi, vendar delujejo pri temperaturah tekočega dušika, kar je sorazmerno poceni in enostavno dobiti.

Razširitev koncepta fermionskih kondenzatov čez atomske fermionske pline je mogoče najti številne primere, kjer fermioni skupaj zasedajo nizkoenergijsko kvantno raven.

Prvi, kot že rečeno, so elektroni v superprevodniku. To so fermioni, ki se v parih poravnajo in zasedajo najnižje kvantne ravni pri nizkih temperaturah, ki kažejo na skupinsko bozonsko vedenje in zmanjšujejo viskoznost in odpornost na nič.

Drug primer fermionske skupine v nizkoenergijskih stanjih je kvarkov kondenzat. Tudi atom helija-3 je fermion, toda pri nizkih temperaturah tvori Cooperjeve pare iz dveh atomov, ki se obnašajo kot bozoni in kažejo pretočno vedenje.

Reference

1. K Goral in K Burnett. Fermionic najprej za kondenzate. Pridobljeno: fizikaworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenzati. Pridobljeno z: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers in B Dumé. Fermions kondenzat predstavlja svoj prvenec. Pridobljeno: fizikaworld.com.
4. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Pridobljeno iz Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Pridobljeno iz Wikiwand.com