Fermioniska kondensategenskaper, applikationer och exempel

En Fermi kondensat Det är i strikt mening en mycket utspädd gas som bildas av fermioniska atomer som har genomgått en temperatur nära absolut noll. På detta sätt, och under tillräckliga förhållanden, går de till en överflödig fas och bildar ett nytt tillstånd av aggregering av materia.

Det första fermioniska kondensatet erhölls den 16 december 2003 i USA, tack vare ett team av fysiker från flera universitet och institutioner. Experimentet använde cirka 500 tusen atomer kalium-40 under ett variabelt magnetfält och vid en temperatur av 5 x 10^-8 Kelvin.

Superledarmagnet. Källa: Pixabay

Denna temperatur betraktas nära den absoluta noll och är mycket lägre än temperaturen i det intergalaktiska utrymmet, vilket är ungefär 3 kelvin. Absolut temperatur noll förstås när 0 kelvin nås motsvarande -273,15 grader Celsius. Sedan motsvarar 3 Kelvin -270,15 grader Celsius.

Vissa forskare anser att det fermioniska kondensatet är materiens könsstatus. De första fyra staterna är mer bekanta för alla: fast, flytande, gas och plasma.

Tidigare hade ett femte tillstånd av materia erhållits när ett kondensat av bosoniska atomer uppnåddes. Detta första kondensat skapades 1995 från en mycket utspädd gas av Rubidio-87 kyld till 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Betydelsen av låga temperaturer

Atomer uppför sig mycket annorlunda än temperaturer nära absolut noll, beroende på värdet på dess inneboende vinkelmoment eller snurr.

Detta delar partiklar och atomer i två kategorier:

- Bosonerna, som är de som har en hel snurr (1, 2, 3, ...).

- Fermioner, som är de som har en halvfirande snurr (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosoner har ingen begränsning, i den meningen att två eller flera av dem kan ockupera samma kvanttillstånd.

Å andra sidan uppfyller Fermions uteslutningsprincipen för Pauli: Två eller flera fermioner kan inte uppta samma kvanttillstånd, eller med andra ord: det kan bara vara en fermion av kvanttillstånd.

Denna grundläggande skillnad mellan bosoner och fermioner gör fermioniskt kondensat.

För att fermioner ska ockupera alla de lägsta kvantnivåerna är det nödvändigt att de tidigare anpassar sig i par för att bilda samtalen "Cooper's par"De har bosoniskt beteende.

Kan tjäna dig: Darcy Law

Historia, fundament och egenskaper

Redan 1911, när Heike Kamerlingh Onnes studerade motståndet från kvicksilveret som överlämnades till mycket låga temperaturer med flytande helium som kylmedium, fann han att när han nådde temperaturen 4,2 K (-268,9 celsius) föll motståndet plötsligt till noll.

Den första superledaren hade hittats på ett icke -planerat sätt.

Utan att veta det, h.K. Onnes hade lyckats placera drivande elektroner tillsammans på den lägsta kvantnivån, ett faktum att i princip inte är möjligt eftersom elektroner är fermioner.

Elektroner hade uppnåtts till den överflödiga fasen inuti metallen, men eftersom de har elektrisk laddning orsakar de ett elektriskt laddningsflöde med nollviskositet och följaktligen noll elektrisk motstånd.

Samma h.K. Onnes i Leiden hade Holland funnit att helium som han använde som kylmedium gick till överflödigt tillstånd när temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) nåddes.

Utan att veta det, h.K. Onnes hade lyckats för första gången att placera tillsammans på sin lägre kvantnivå till heliumatomerna som han kylde till Merkurius. Förresten insåg han också att när temperaturen var under en viss kritisk temperatur, övergick helium till den överflödiga fasen (nollviskositet).

Superconductivity Theory

Helio-4 är en boson och uppträder som sådan, så det var möjligt att flytta från den normala vätskefasen till den överflödiga fasen.

Ingen av dessa anses dock vara ett fermioniskt eller bosoniskt kondensat. När det gäller superledningsförmåga var fermioner som elektroner inne i det kristallina nätverket av kvicksilver; Och i fallet med det överflödiga heliumet hade det gått från vätskefasen till den överflödiga fasen.

Den teoretiska förklaringen av superledningsförmågan kom senare. Det är den välkända BCS -teorin som utvecklats 1957.

Teorin säger att elektroner interagerar med de kristallina nätverksbildande paren som istället för att upprepa dem. På detta sätt kan elektroner som helhet ockupera kvanttillstånd för lägre energi, så länge temperaturen är tillräckligt låg.

Hur man producerar ett fermioner kondensat?

Ett legitimt kondensat av fermioner eller bosoner måste börja från en mycket utspädd gas som består av fermioniska eller bosoniska atomer, som svalnar på ett sådant sätt att deras partiklar alla passerar till de lägsta kvanttillstånd.

Kan tjäna dig: Barrada spiral galax: bildning, evolution, egenskaper

Eftersom detta är mycket mer komplicerat än att få ett bosoner kondensat, är det först nyligen när dessa typer av kondensat har skapats.

Fermioner är partiklar eller konglomerat av partiklar med total halvalo -snurr. Elektronen, protonen och neutronen är alla partiklar med snurr ½.

Helio-3 Core (två protoner och en neutron) uppför sig som en fermion. Den neutrala atomen i kalium-40 har 19 protoner + 21 neutroner + 19 elektroner, som lägger till det udda numret 59, så det beter sig som en fermion.

Medierande partiklar

De medierande partiklarna i interaktioner är bosoner. Bland dessa partiklar kan vi namnge följande:

- Fotoner (elektromagnetismmediatorer).

- Gluon (mediatorer för stark kärnkraftsinteraktion).

- Bosoner Z och W (svaga kärnkraftsinteraktionsförmedlare).

- Gravitón (mediatorer för gravitationell interaktion).

Sammansatt bosoner

Bland de sammansatta bosonerna är följande:

- Deuterium nucleus (1 proton och 1 neutron).

- Helio-4 Atom (2 protoner + 2 neutroner + 2 elektroner).

Under förutsättning att summan av protoner, neutroner och elektroner i en neutral atom är i ett heltal kommer beteendet att vara Bosón.

Hur ett fermioniskt kondensat erhölls

Ett år innan man uppnådde fermioner kondensat, bildningen av molekyler med fermioniska atomer som bildade starkt kopplade par som uppförde sig som bosoner hade uppnåtts. Detta betraktas emellertid inte som ett rent fermioniskt kondensat, utan liknar snarare ett bosoniskt kondensat.

Men vad som uppnåddes den 16 december 2003 av teamet som består av Deborah Jin, Markus Greiner och Cindy Regal i Jila -laboratoriet i Boulder, Colorado, var bildandet av ett kondensat av par av enskilda fermioniska atomer i en gas i en gas i en gas.

I det här fallet bildar inte atomerna en molekyl, men de rör sig tillsammans på ett korrelerat sätt. Således fungerar paret av fermioniska atomer som en boson, varför dess kondens har uppnåtts.

För att uppnå denna kondensation startade JILA-teamet från en gas med kalium-40 (som är fermioner) atomer, som var begränsade i en optisk fälla till 300 nanokelvin.

Kan tjäna dig: vad är dynamisk balans? (Med exempel)

Sedan utsattes gasen för ett oscillerande magnetfält för att förändra den avvisande interaktionen mellan atomer och förvandla den till en attraktiv interaktion, genom ett fenomen som kallas "Fesbach -resonans".

Justera magnetfältparametrarna ordentligt uppnås att formatomerna i Cooper istället för molekyler istället för molekyler. Då fortsätter det att svalna att uppnå det fermioniska kondensatet.

Applikationer och exempel

Tekniken som utvecklats för att uppnå det fermioniska kondensatet, där atomer praktiskt taget manipuleras nästan individuellt, kommer att möjliggöra utveckling av kvantberäkning, bland andra tekniker.

Det kommer också att förbättra förståelsen för fenomen som superledningsförmåga och överflödighet som gör det möjligt för nya material med speciella egenskaper. Det har också upptäckts att det finns en mellanliggande punkt mellan molekylernas överflödighet och den konventionella genom bildandet av Cooper's par.

Manipulering av ultralefrios atomer kommer att göra det möjligt för oss att förstå skillnaden mellan dessa två sätt att producera överflödigt, vilket säkert kommer att resultera i utvecklingen av superledningsförmåga med hög temperatur.

I själva verket finns det idag superledare att även om de inte arbetar vid rumstemperatur, arbetar de vid flytande kvävetemperaturer, vilket är relativt billigt och enkelt att få.

Genom att utvidga begreppet fermioniskt kondensat utöver atomgaserna i fermioner kan många exempel hittas där fermioner kollektivt upptar kvantnivåer av låg energi.

De första som redan sagt är elektroner i en superledare. Det här är fermioner som är inriktade i par för att uppta de lägsta kvantnivåerna vid låga temperaturer, uppvisa kollektivt bosoniskt beteende och minska viskositeten och motståndet mot noll.

Ett annat exempel på en fermionisk grupp i tillstånd med låg energi är kvarkarskondensat. Helio-3-atomen är också en fermion, men vid låga temperaturer former av kooper av två atomer som uppför sig som bosoner och uppvisar överflödigt beteende.

Referenser

1. K Goral och K Burnett. Fermionic först för kondensat. Återhämtat sig från: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenserar. Återhämtat sig från: användare.Fysik.Sköre.Edu
3. P Rodgers och B Dumé. Ferms Condensate debuterar. Återhämtat sig från: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Wikiwand återhämtade sig.com
5. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Wikiwand återhämtade sig.com