A Fermi kondensat det är i strikt mening en mycket utspädd gas som består av fermioniska atomer som har utsatts för en temperatur nära absolut noll. På detta sätt och under lämpliga förhållanden övergår de till en superfluidfas och bildar ett nytt tillstånd av aggregering..
Det första fermioniska kondensatet erhölls den 16 december 2003 i USA tack vare ett team av fysiker från olika universitet och institutioner. Experimentet använde cirka 500 tusen kalium-40 atomer utsatta för ett variabelt magnetfält och en temperatur på 5 x 10-8 Kelvin.
Den temperaturen anses vara nära absolut noll och är väsentligt lägre än temperaturen i det intergalaktiska utrymmet, vilket är cirka 3 Kelvin. Den absoluta temperaturnollan förstås vara 0 Kelvin, vilket motsvarar -273,15 grader Celsius. Så 3 Kelvin motsvarar -270,15 grader Celsius.
Vissa forskare anser att fermioniskt kondensat är materiens sexuella tillstånd. De fyra första tillstånden är mest 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 rubidium-87-gas som kyldes till 17 x 10-8 Kelvin.
Artikelindex
Atomer beter sig mycket olika vid temperaturer nära absolut noll, beroende på värdet av deras inneboende vinkelmoment eller snurr..
Detta delar upp partiklar och atomer i två kategorier:
- Bosonerna, som är de med heltalssnurr (1, 2, 3, ...).
- Fermions, som är de med halv-heltalssnurr (1/2, 3/2, 5/2, ...).
Bosonerna har ingen begränsning, i den meningen att två eller flera av dem kan uppta samma kvanttillstånd.
Å andra sidan uppfyller fermioner Pauli-uteslutningsprincipen: två eller flera fermioner kan inte uppta samma kvanttillstånd, eller med andra ord: det kan bara finnas en fermion per kvanttillstånd.
Denna grundläggande skillnad mellan bosoner och fermioner gör fermioniska kondensat svårare att få än bosoniska..
För att fermionerna ska uppta alla de lägsta kvantnivåerna är det nödvändigt att de tidigare inriktas i par för att bilda den så kallade "Cooper-parSom har bosoniskt beteende.
Tillbaka 1911, när Heike Kamerlingh Onnes studerade motståndet från kvicksilver som utsattes för mycket låga temperaturer med flytande helium som kylvätska, fann han att när temperaturen nådde 4,2 K (-268,9 Celsius) sjönk motståndet plötsligt till noll..
Den första superledaren hade hittats på ett oväntat sätt.
Omedvetet H.K. Onnes hade lyckats placera ledningselektronerna tillsammans på den lägsta kvantnivån, ett faktum som i princip inte är möjligt eftersom elektronerna är fermioner..
Det hade uppnåtts att elektronerna passerade till superfluidfasen inuti metallen, men eftersom de har en elektrisk laddning orsakar de ett flöde av elektrisk laddning med noll viskositet och följaktligen noll elektrisk resistans..
H.K. Onnes i Leiden, Nederländerna hade funnit att heliumet som det använde som köldmedium blev överflödigt när temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) uppnåddes..
Omedvetet H.K. För första gången hade Onnes lyckats föra samman heliumatomerna med vilka han svalnade kvicksilver på deras lägsta kvantnivå. I förbigående insåg han också att när temperaturen var under en viss kritisk temperatur, passerade helium in i superfluidfasen (noll viskositet)..
Helium-4 är en boson och beter sig som sådan, det var därför det var möjligt att gå från den normala vätskefasen till superfluidfasen.
Ingen av dessa anses dock vara ett fermioniskt eller bosoniskt kondensat. I fallet med supraledning var fermioner, liksom elektroner, inom kristallgitteret av kvicksilver; och i fallet med superfluid helium hade det gått från vätskefasen till superfluidfasen.
Den teoretiska förklaringen för supraledning kom senare. Det är den välkända BCS-teorin som utvecklades 1957.
Teorin säger att elektroner interagerar med kristallgitter som bildar par som, i stället för att stöta bort, lockar varandra och bildar ”Cooper-par” som fungerar som bosoner. På detta sätt kan elektronerna som helhet uppta de lägsta energikvantumstillstånden, så länge temperaturen är tillräckligt låg..
En legitim fermion eller bosonkondensat måste börja från en mycket utspädd gas som består av fermioniska eller bosoniska atomer, som kyls på ett sådant sätt att dess partiklar alla passerar in i de lägsta kvanttillstånden..
Eftersom detta är mycket mer komplicerat än att få ett bosonkondensat, är det bara nyligen som dessa typer av kondensat har skapats..
Fermioner är partiklar eller konglomerat av partiklar med halv hel centrifugering. Elektronen, protonen och neutronen är alla ½ spinnpartiklar..
Helium-3-kärnan (två protoner och en neutron) beter sig som en fermion. Den neutrala atomen av kalium-40 har 19 protoner + 21 neutroner + 19 elektroner, vilket sammanfaller med udda siffran 59, så den beter sig som en fermion.
De förmedlande partiklarna i interaktionerna är bosoner. Bland dessa partiklar kan vi nämna följande:
- Fotoner (förmedlare av elektromagnetism).
- Gluon (medlare för stark kärnkraftsinteraktion).
- Z- och W-bosoner (medlare för svag kärnkraftsinteraktion).
- Graviton (medlare för gravitationsinteraktion).
Bland de sammansatta bosonerna är följande:
- Deuteriumkärnan (1 proton och 1 neutron).
- Helium-4-atom (2 protoner + 2 neutroner + 2 elektroner).
När summan av protoner, neutroner och elektroner i en neutral atom resulterar i ett heltal kommer beteendet att vara boson.
Ett år innan fermionkondensatet uppnåddes hade man bildat molekyler med fermioniska atomer som bildade tätt kopplade par som uppförde sig som bosoner. Detta anses dock inte vara ett rent fermioniskt kondensat utan snarare liknar ett bosoniskt kondensat.
Men det som uppnåddes den 16 december 2003 av teamet av Deborah Jin, Markus Greiner och Cindy Regal från JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var bildandet av ett kondensat av par av enskilda fermioniska atomer i en gas..
I detta fall bildar inte atomparet en molekyl utan rör sig tillsammans på ett korrelerat sätt. Således fungerar som ett par fermioniska atomer som en boson, varför deras kondens har uppnåtts..
För att uppnå denna kondens startade JILA-teamet från en gas med kalium-40-atomer (som är fermioner), som var begränsad i en optisk fälla vid 300 nanokelvin..
Gasen utsattes sedan för ett oscillerande magnetfält för att förändra den motbjudande interaktionen mellan atomer och förvandla den till en attraktiv interaktion genom ett fenomen som kallas "Fesbach-resonans.".
Att justera parametrarna för magnetfältet på rätt sätt gör det möjligt för atomerna att bilda Cooper-par istället för molekyler. Sedan fortsätter den att svalna för att uppnå det fermioniska kondensatet.
Den teknik som utvecklats för att uppnå fermioniska kondensat, där atomer praktiskt taget manipuleras nästan individuellt, gör det möjligt att utveckla kvantberäkning bland andra tekniker..
Det kommer också att förbättra förståelsen av fenomen som supraledning och superfluiditet, vilket möjliggör nya material med speciella egenskaper. Dessutom har det upptäckts att det finns en mellanliggande punkt mellan superfluiditeten hos molekylerna och den konventionella genom bildandet av Cooper-par.
Manipuleringen av ultrakolda atomer gör att vi kan förstå skillnaden mellan dessa två sätt att producera superfluider, vilket säkert kommer att resultera i utveckling av superledningsförmåga vid hög temperatur.
I själva verket finns det i dag supraledare att även om de inte arbetar vid rumstemperatur fungerar de vid temperaturer av flytande kväve, vilket är relativt billigt och lätt att få..
Genom att utvidga begreppet fermioniska kondensat bortom atomerna i fermion kan man hitta många exempel där fermioner kollektivt upptar lågenergikvantumnivåer..
Den första som redan sagt är elektronerna i en superledare. Dessa är fermioner som parar sig ihop för att uppta de lägsta kvantnivåerna vid låga temperaturer, uppvisar kollektivt bosonliknande beteende och minskar viskositet och motstånd till noll..
Ett annat exempel på fermionisk klustring i tillstånd med låg energi är kvarkondensat. Helium-3-atomen är också en fermion, men vid låga temperaturer bildar den Cooper-par med två atomer som beter sig som bosoner och uppvisar superfluidbeteende..
Ingen har kommenterat den här artikeln än.