FERMIONINIS KONDENSATAS: SAVYBĖS, PRITAIKYMAS IR PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Ferma kondensato yra griežtai prasme, labai praskiestų dujų sudaryta iš Fermionas atomų, kurie buvo taikytas temperatūrai, artimai absoliutaus nulio. Tokiu būdu ir tinkamomis sąlygomis jie pereina į skysčio perteklių, formuodami naują materijos sankaupos būseną.

Pirmasis fermioninis kondensatas buvo gautas 2003 m. Gruodžio 16 d. Jungtinėse Valstijose, dėka įvairių universitetų ir institucijų fizikų komandos. Eksperimente buvo panaudota apie 500 tūkstančių kalio-40 atomų, veikiant kintamam magnetiniam laukui ir 5 x ^10–8 Kelvinų temperatūrai .

Superlaidus magnetas. Šaltinis: pixabay

Ši temperatūra laikoma artima absoliučiai nuliui ir yra žymiai žemesnė už tarpgalaktinės erdvės temperatūrą, kuri yra apie 3 kelvinus. Absoliutus temperatūros nulis suprantamas kaip 0 Kelvinų, tai prilygsta -273,15 laipsnių Celsijaus. Taigi 3 kelvinai atitinka -270,15 laipsnio Celsijaus.

Kai kurie mokslininkai mano, kad fermioninis kondensatas yra lytinės materijos būsena. Pirmosios keturios būsenos yra labiausiai pažįstamos visiems: kieta, skysta, dujinė ir plazminė.

Anksčiau buvo gauta penktoji materijos būsena, kai buvo pasiektas bosoninių atomų kondensatas. Šis pirmasis kondensatas buvo sukurtas 1995 m. Iš labai praskiestų rubidium-87 dujų, atšaldytų iki 17 x 10 ^-8 kelvinų.

Žemų temperatūrų svarba

Atomai labai skirtingai elgiasi esant temperatūrai, artimai absoliučiai nuliui, priklausomai nuo vidinio kampinio impulso vertės ar sukimosi.

Dalelės ir atomai skirstomi į dvi kategorijas:

- Bosonai, turintys sveikąjį skaičių sukinį (1, 2, 3,…).

- Fermionai, turintys pusiau sveiką sukinį (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bosonai neturi jokių apribojimų ta prasme, kad du ar daugiau iš jų gali užimti tą pačią kvantinę būseną.

Kita vertus, fermionai atitinka Paulio išskyrimo principą: du ar daugiau fermijų negali užimti tos pačios kvantinės būsenos, arba kitaip tariant: kiekvienoje kvantinėje būsenoje gali būti tik vienas fermionas.

Šis esminis skirtumas tarp bozonų ir fermionų daro fermioninius kondensatus sunkiau gaunamus nei bozoninius.

Kad fermionai užimtų visus žemesnius kvantinius lygius, būtina, kad jie anksčiau derėtų poromis, kad sudarytų vadinamąsias „Cooperio poras“, kurios elgiasi bosoniškai.

Istorija, pagrindai ir savybės

Dar 1911 m., Kai Heike'as Kamerlinghas Onnesas tyrė gyvsidabrio atsparumą labai žemoms temperatūroms, naudodamas skystą helį kaip aušinimo skystį, jis nustatė, kad, pasiekus 4,2 K (-268,9 Celsijaus) temperatūrą, pasipriešinimas staiga sumažėjo iki nulio. .

Pirmasis superlaidininkas buvo surastas netikėtai.

To nežinodamas, HK Onnesas sugebėjo visus laidumo elektronus sudėti į žemiausią kvantinį lygį, o tai iš esmės neįmanoma, nes elektronai yra fermionai.

Elektronams buvo įmanoma pereiti į metalo viduje esančią superfluidinę fazę, tačiau kadangi jie turi elektros krūvį, jie sukelia elektros krūvio srautą, kurio klampumas yra lygus nuliui, taigi ir nulinė elektrinė varža.

Pats HK „Onnes“ Leidene, Nyderlanduose, nustatė, kad helis, kurį jis naudojo kaip šaltnešį, tapo super skysčiu, kai buvo pasiekta 2,2 K (–270,9 Celsius) temperatūra.

Nesąmoningai HK Onnesui pirmą kartą pavyko suburti helio atomus, su kuriais jis atvėsino gyvsidabrį žemiausiame jų kvantiniame lygyje. Praeidamas jis taip pat suprato, kad kai temperatūra buvo žemesnė už tam tikrą kritinę temperatūrą, helis pereina į superfluidinę fazę (nulio klampumas).

Superlaidumo teorija

Helis-4 yra bozonas ir elgiasi kaip toks, todėl buvo įmanoma pereiti nuo normalios skysčio fazės prie super skysčio fazės.

Tačiau nė vienas iš jų nelaikomas fermioniniu ar bozoniniu kondensatu. Superlaidumo atveju fermionai, kaip ir elektronai, buvo gyvsidabrio kristalinėje grotelėje; o superfluidinio helio atveju jis buvo perėjęs iš skysčio fazės į superfluidinę fazę.

Teorinis superlaidumo paaiškinimas atsirado vėliau. Tai gerai žinoma BCS teorija, sukurta 1957 m.

Teorija teigia, kad elektronai sąveikauja su kristalų gardelėmis, sudarydami poras, kurios, užuot atstumiančios, traukia viena kitą, sudarydamos „Cooperio poras“, kurios veikia kaip bozonai. Tokiu būdu visi elektronai gali užimti žemiausias energijos kvantines būsenas, kol temperatūra yra pakankamai žema.

Kaip gauti fermiono kondensatą?

Teisėtas fermionas arba bozono kondensatas turi prasidėti nuo labai praskiestų dujų, sudarytų iš fermioninių ar bozoninių atomų, kurios atvėsinamos taip, kad visos jos dalelės eitų į žemiausias kvantines būsenas.

Kadangi tai yra daug sudėtingiau nei gauti bozono kondensatą, tik neseniai buvo sukurti šie kondensato tipai.

Fermionai yra dalelės arba jų konglomeratai, turintys pusę viso nugaros. Elektronas, protonas ir neutronas yra visos ½ sukinio dalelės.

Helio-3 branduolys (du protonai ir vienas neutronas) elgiasi kaip fermionas. Neutralus kalio-40 atomas turi 19 protonų + 21 neutroną + 19 elektronų, kurie sudaro nelyginį skaičių 59, todėl jis elgiasi kaip fermionas.

Tarpininko dalelės

Tarpininkaujančios sąveikos dalelės yra bozonai. Tarp šių dalelių galime paminėti:

- Fotonai (elektromagnetizmo tarpininkai).

- Gluonas (stiprios branduolinės sąveikos tarpininkai).

- Bosonai Z ir W (silpnos branduolio sąveikos tarpininkai).

- Gravitonas (gravitacinės sąveikos tarpininkai).

Sudėtiniai bozonai

Tarp junginių bozonų yra šie:

- Deuterio branduolys (1 protonas ir 1 neutronas).

- helio-4 atomas (2 protonai + 2 neutronai + 2 elektronai).

Kai protonų, neutronų ir elektronų neutraliojo atomo rezultatas yra sveikasis skaičius, elgesys bus bozonas.

Kaip buvo gautas fermioninis kondensatas

Praėjus metams iki fermiono kondensato susidarymo, buvo sudarytos molekulės su fermioniniais atomais, kurios sudarė sandariai sujungtas poras, kurios elgėsi kaip bozonai. Tačiau tai nelaikoma grynu fermioniniu kondensatu, o greičiau primena bozoninį kondensatą.

Bet tai, ką 2003 m. Gruodžio 16 d. Atliko Deborah Jin, Markus Greiner ir Cindy Regal iš JILA laboratorijos Boulder mieste, Kolorado valstijoje, buvo atskirų fermioninių atomų porų kondensato susidarymas dujose.

Tokiu atveju atomų pora nesudaro molekulės, o juda tarpusavyje koreliuojamu būdu. Taigi, visa fermioninių atomų pora veikia kaip bozonas, todėl jų kondensacija buvo pasiekta.

Norėdami pasiekti šį kondensaciją, JILA komanda pradėjo nuo dujų su kalio-40 atomais (kurie yra fermionai), kurie buvo uždaryti optiniu spąstu 300 nanokelvinų greičiu.

Tada dujos buvo veikiamos svyruojančiu magnetiniu lauku, kad būtų pakeista atstumianti atomų sąveika ir paversta patrauklia, naudojant reiškinį, vadinamą „Fesbacho rezonansu“.

Tinkamai pakoregavus magnetinio lauko parametrus, atomai gali sudaryti molekulių poras Cooper. Tada jis toliau aušinamas, kad gautų fermioninį kondensatą.

Paraiškos ir pavyzdžiai

Fermioniniams kondensatams gauti sukurta technologija, kurioje atomais praktiškai manipuliuojama beveik atskirai, leis plėtoti kvantinį skaičiavimą, be kitų technologijų.

Tai taip pat pagerins tokių reiškinių, kaip antai superlaidumas ir superlaidumas, supratimą, leidžiantį naudoti naujas medžiagas, turinčias ypatingų savybių. Be to, buvo nustatyta, kad tarp molekulių superfluidumo ir įprastinio yra tarpinis taškas susidarant Cooperio poroms.

Aukščiausio laipsnio atomų manipuliavimas leis mums suprasti skirtumą tarp šių dviejų superlaidžių skysčių susidarymo būdų, kurie neabejotinai lems aukštos laidumo aukštoje temperatūroje vystymąsi.

Tiesą sakant, šiandien yra superlaidininkų, kurie, nors ir neveikia kambario temperatūros, dirba skysto azoto temperatūroje, o tai yra palyginti pigu ir lengvai gaunama.

Išplečiant fermioninių kondensatų sąvoką už atominių fermionų dujų ribų, galima rasti daugybę pavyzdžių, kai fermionai kartu užima mažai energijos turinčius kvantinius lygius.

Pirmieji, kaip jau minėta, yra elektronai superlaidininku. Tai yra fermionai, kurie poromis poruojasi ir užima žemiausius kvantinius lygius žemoje temperatūroje, pasižymi kolektyviniu bosoniškumu ir sumažina klampumą ir atsparumą nuliui.

Kitas fermioninio grupavimo mažos energijos būsenose pavyzdys yra varškės kondensatas. Taip pat helio-3 atomas yra fermionas, tačiau žemoje temperatūroje jis sudaro dviejų atomų Cooperio poras, kurios elgiasi kaip bozonai ir pasižymi super skysčiu.

Nuorodos

1. K Goral ir K Burnett. Fermioninis pirmiausia kondensatams. Atkurta iš: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensuojasi. Gauta iš: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgersas ir B Dumé. „Fermions“ kondensatas debiutuoja. Atkurta iš: physicsworld.com.
4. „Wikiwand“. Fermioninis kondensatas. Atkurta iš Wikiwand.com
5. „Wikiwand“. Fermioninis kondensatas. Atkurta iš Wikiwand.com