ФЕРМІОННИЙ КОНДЕНСАТ: ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ ТА ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Фермі конденсат є, в строгому сенсі цього слова, дуже розбавлений газ , що складається з атомів ферміонами , які були піддані до температури , близької до абсолютного нуля. Таким чином і за відповідних умов вони переходять у надрідку фазу, утворюючи новий стан агрегації речовини.

Перший ферміоновий конденсат був отриманий 16 грудня 2003 року в США завдяки команді фізиків з різних університетів та установ. В експерименті було використано близько 500 тис. Атомів калію-40, підданих змінному магнітному полі і температурі 5 х 10 ^-8 Кельвіна.

Надпровідний магніт. Джерело: pixabay

Ця температура вважається близькою до абсолютного нуля і значно нижча, ніж температура міжгалактичного простору, яка становить приблизно 3 Келвіна. Абсолютний нуль температури вважається 0 Келвіна, що еквівалентно -273,15 градусів Цельсія. Так 3 Келвіну відповідає -270,15 градусів Цельсія.

Деякі вчені вважають ферміоновий конденсат статевим станом речовини. Перші чотири стани найбільш відомі всім: твердий, рідкий, газовий і плазмовий.

Раніше було отримано п'ятий стан речовини при досягненні конденсату бозонових атомів. Цей перший конденсат був створений у 1995 році з дуже розбавленого газу рубідію-87, охолодженого до 17 х 10 ^-8 Келвіна.

Важливість низьких температур

Атоми поводяться дуже по-різному при температурі, близькій до абсолютного нуля, залежно від значення їх внутрішнього кутового імпульсу чи віджиму.

Це розділяє частинки та атоми на дві категорії:

- Основи, які є цілими спинами (1, 2, 3,…).

- Ферміони, які є напів цілим спином (1/2, 3/2, 5/2,…).

Бозони не мають жодних обмежень, в тому сенсі, що два або більше з них можуть займати один і той же квантовий стан.

З іншого боку, ферміони відповідають принципу виключення Паулі: два чи більше ферміони не можуть займати один і той же квантовий стан, або іншими словами: може бути лише один ферміон на квантовий стан.

Ця принципова відмінність бозонів від ферміонів робить ферміонічні конденсати складнішими, ніж бозонні.

Для того, щоб ферміони займали всі нижчі квантові рівні, необхідно попередньо їх вирівняти парами, щоб утворити так звані “пари Купера”, що мають бозонічну поведінку.

Історія, основи та властивості

Ще в 1911 році, коли Хайке Камерлінг Оннес вивчав опір ртуті, підданої дуже низьким температурам, використовуючи рідкий гелій в якості теплоносія, він виявив, що при досягненні температури 4,2 К (-268,9 за Цельсієм) опір різко знизився до нуля. .

Перший надпровідник був знайдений несподівано.

Не знаючи цього, Х. К. Оннес зумів поставити електрони провідності всі разом на найнижчий квантовий рівень, факт, що в принципі це неможливо, оскільки електрони - ферміони.

Було досягнуто, щоб електрони перейшли у надрідку фазу всередині металу, але оскільки вони мають електричний заряд, вони викликають потік електричного заряду з нульовою в'язкістю і, отже, нульовим електричним опором.

Сам HK Onnes в Лейдені, Нідерланди виявив, що гелій, який він використовував як холодоагент, став надлишковим при досягненні температури 2,2 К (-270,9 за Цельсієм).

Невідомо, що Х. К. Оннесу вперше вдалося зібрати атоми гелію, за допомогою яких він охолоджував ртуть на найнижчому квантовому рівні. Попутно він також зрозумів, що коли температура була нижче певної критичної температури, гелій переходив у надрідку фазу (нульова в'язкість).

Теорія надпровідності

Гелій-4 є бозоном і поводиться як такий, тому вдалося перейти від нормальної рідкої фази до надрідкої фази.

Однак жоден з них не вважається ферміонічним або бозоновим конденсатом. У разі надпровідності ферміони, як і електрони, знаходилися в межах кристалічної решітки ртуті; а у випадку надрідкого гелію він перейшов з рідкої фази у надрідку фазу.

Теоретичне пояснення надпровідності надійшло пізніше. Це відома теорія БКС, розроблена в 1957 році.

Теорія стверджує, що електрони взаємодіють з кристалічною решіткою, утворюючи пари, які замість відштовхування один одного, притягують один одного, утворюючи «пари Купера», які виконують роль бозонів. Таким чином, електрони в цілому можуть займати найменші енергетичні квантові стани, доки температура досить низька.

Як виготовити ферміоновий конденсат?

Законний ферміон або бозонний конденсат повинен починатись із дуже розбавленого газу, що складається з атомів ферміону чи бозону, який охолоджується таким чином, що всі його частинки переходять у найнижчі квантові стани.

Оскільки це набагато складніше, ніж отримання конденсату бозону, ці типи конденсатів створені лише нещодавно.

Ферміони - це частинки або конгломерати частинок з половиною цілого спіну. Електрон, протон і нейтрон - це всі ½ спінові частинки.

Ядро гелію-3 (два протони та один нейтрон) поводиться як ферміон. Нейтральний атом калію-40 має 19 протонів + 21 нейтрона + 19 електронів, які складають непарне число 59, тому він поводиться як ферміон.

Частинки посередника

Посередницькі частинки взаємодій є бозонами. Серед цих частинок можна назвати наступні:

- Фотони (медіатори електромагнетизму).

- Gluon (посередники сильної ядерної взаємодії).

- Бозони Z і W (посередники слабкої ядерної взаємодії).

- Гравітон (медіатори гравітаційної взаємодії).

Складені бозони

Серед складних бозонів можна виділити наступні:

- ядро ​​дейтерію (1 протон і 1 нейтрон).

- атом гелію-4 (2 протони + 2 нейтрона + 2 електрона).

Щоразу, коли сума протонів, нейтронів та електронів нейтрального атома призводить до цілого числа, поведінка буде бозон.

Як був отриманий ферміоновий конденсат

За рік до досягнення ферміонного конденсату було досягнуто утворення молекул з ферміонними атомами, які утворювали щільно з’єднані пари, що вели себе як бозони. Однак це не вважається чистим ферміонним конденсатом, а скоріше нагадує бозоновий конденсат.

Але 16 грудня 2003 року командою Дебора Джин, Маркусом Грейнером та Сінді Регал з лабораторії JILA в Боулдері, штат Колорадо, було досягнуто утворення конденсату з пар окремих ферміонних атомів у газі.

У цьому випадку пара атомів не утворює молекули, а рухається разом співвідносно. Таким чином, в цілому пара атомів ферміону діє як бозон, отже, їх конденсація досягнута.

Щоб досягти цієї конденсації, команда JILA почала з газу з атомами калію-40 (які є ферміонами), який був обмежений оптичною пасткою на 300 нанокельвін.

Потім газ піддавали коливальному магнітному полі, щоб змінити відштовхуючу взаємодію між атомами та перетворити його на привабливе через явище, відоме як "резонанс Фесбаха".

Налаштування параметрів магнітного поля дозволяє атомам утворювати пари Купера замість молекул. Потім він продовжує охолоджувати до отримання ферміонного конденсату.

Програми та приклади

Технологія, розроблена для досягнення ферміонних конденсатів, в яких атомами практично маніпулюють практично індивідуально, дозволить розвивати квантові обчислення, серед інших технологій.

Це також поліпшить розуміння таких явищ, як надпровідність і надлишок, дозволять отримати нові матеріали з особливими властивостями. Крім того, було виявлено, що існує надмірна точка між надлишком молекул та звичайною через утворення пар Купера.

Маніпуляція надхолодними атомами дозволить нам зрозуміти різницю між цими двома способами отримання надлишків, що, безумовно, призведе до розвитку надтемпературної надпровідності.

Насправді сьогодні існують надпровідники, які хоча і не працюють при кімнатній температурі, але працюють при температурі рідкого азоту, що порівняно дешево і легко отримати.

Розширюючи поняття ферміонних конденсатів поза атомними ферміонними газами, можна знайти численні приклади, коли ферміони колективно займають низькоенергетичні квантові рівні.

Першими, як уже говорилося, є електрони в надпровіднику. Це ферміони, які вирівнюються парами і займають найнижчі квантові рівні при низьких температурах, виявляючи колективну бозонічну поведінку та зменшуючи в'язкість та стійкість до нуля.

Інший приклад ферміонного групування в низько енергетичних станах - це кваркові конденсати. Також атом гелію-3 є ферміоном, але при низьких температурах він утворює Купер-пари з двох атомів, які поводяться як бозони і проявляють надлишкову поведінку.

Список літератури

1. К Горал і К Бернетт. Ферміонний спочатку для конденсатів. Відновлено з: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Фермі конденсати. Отримано з: users.physics.harvard.edu
3. П Роджерс і Б Думе. Ферміон конденсат дебютує. Відновлено з: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Ферміонний конденсат. Відновлено з Wikiwand.com
5. Wikiwand. Ферміонний конденсат. Відновлено з Wikiwand.com