EN Fermi kondensat i strengeste forstand er det en meget fortyndet gas, der består af fermioniske atomer, der har været udsat for en temperatur tæt på absolut nul. På denne måde og under egnede betingelser passerer de i en superfluidfase og danner en ny tilstand af aggregering af stof..
Det første fermioniske kondensat blev opnået den 16. december 2003 i USA takket være et team af fysikere fra forskellige universiteter og institutioner. Eksperimentet anvendte omkring 500 tusind kalium-40 atomer udsat for et variabelt magnetfelt og en temperatur på 5 x 10-8 Kelvin.
Denne temperatur betragtes som tæt på absolut nul og er langt lavere end temperaturen i det intergalaktiske rum, som er omkring 3 Kelvin. Det absolutte temperaturnul skal forstås som 0 Kelvin, hvilket svarer til -273,15 grader Celsius. Så 3 Kelvin svarer til -270,15 grader Celsius.
Nogle forskere betragter fermionisk kondensat som kønstilstand for stof. De første fire stater er mest velkendte for alle: fast stof, væske, gas og plasma..
Tidligere var en femte tilstand af stof opnået, da et kondensat af bosoniske atomer blev opnået. Dette første kondensat blev dannet i 1995 fra en meget fortyndet rubidium-87 gas afkølet til 17 x 10-8 Kelvin.
Artikelindeks
Atomer opfører sig meget forskelligt ved temperaturer tæt på absolut nul, afhængigt af værdien af deres iboende vinkelmoment eller spin..
Dette deler partikler og atomer i to kategorier:
- Bosonerne, som er dem med heltalssnurr (1, 2, 3, ...).
- Fermions, som er dem med halvtals spin (1/2, 3/2, 5/2, ...).
Bosonerne har ingen begrænsning i den forstand, at to eller flere af dem kan indtage den samme kvantetilstand.
På den anden side overholder fermioner Pauli-udelukkelsesprincippet: to eller flere fermioner kan ikke indtage den samme kvantetilstand eller med andre ord: der kan kun være en fermion pr. Kvantetilstand.
Denne grundlæggende forskel mellem bosoner og fermioner gør fermioniske kondensater vanskeligere at opnå end bosoniske..
For at fermionerne optager alle de laveste kvanteniveauer, er det nødvendigt, at de tidligere justeres parvis for at danne den såkaldte "Cooper-parSom har bosonisk opførsel.
Tilbage i 1911, da Heike Kamerlingh Onnes studerede modstanden af kviksølv, der var udsat for meget lave temperaturer ved hjælp af flydende helium som kølemiddel, fandt han, at når han nåede temperaturen på 4,2 K (-268,9 Celsius), faldt modstanden brat til nul..
Den første superleder var fundet på en uventet måde.
Ukendt vidste H.K. Onnes havde formået at placere ledningselektronerne alle sammen på det laveste kvanteniveau, en kendsgerning, der i princippet ikke er mulig, fordi elektronerne er fermioner..
Det var blevet opnået, at elektronerne passerede til superfluidfasen inde i metallet, men da de har en elektrisk ladning, forårsager de en strøm af elektrisk ladning med nul viskositet og følgelig nul elektrisk modstand..
H.K. Onnes i Leiden, Holland, havde fundet ud af, at det helium, det brugte som kølemiddel, blev overflødigt, da temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) blev nået..
Ukendt vidste H.K. For første gang havde Onnes formået at samle de heliumatomer, som han afkølede kviksølv med, på deres laveste kvanteniveau. I forbifarten indså han også, at når temperaturen var under en bestemt kritisk temperatur, passerede helium ind i superfluidfasen (nul viskositet)..
Helium-4 er et boson og opfører sig som sådan, det var derfor det var muligt at gå fra den normale væskefase til superfluidfasen.
Imidlertid betragtes ingen af disse som et fermionisk eller bosonisk kondensat. I tilfælde af superledningsevne var fermioner ligesom elektroner inden for krystalgitteret af kviksølv; og i tilfælde af superfluid helium var den gået fra væskefasen til superfluidfasen.
Den teoretiske forklaring på superledningsevne kom senere. Det er den velkendte BCS-teori udviklet i 1957.
Teorien siger, at elektroner interagerer med det krystalgitter, der danner par, der i stedet for frastøder tiltrækker hinanden og danner "Cooper-par", der fungerer som bosoner. På denne måde kan elektronerne som helhed indtage de laveste energikvantumtilstande, så længe temperaturen er lav nok..
Et legitimt fermion- eller bosonkondensat skal starte fra en meget fortyndet gas sammensat af fermioniske eller bosoniske atomer, som afkøles på en sådan måde, at dens partikler alle passerer ind i de laveste kvantetilstande..
Da dette er meget mere kompliceret end at få et bosonkondensat, er det først for nylig, at disse typer kondensater er skabt..
Fermioner er partikler eller konglomerater af partikler med halv hel spin. Elektronen, protonen og neutronen er alle ½ spin-partikler..
Helium-3-kernen (to protoner og en neutron) opfører sig som en fermion. Det neutrale atom af kalium-40 har 19 protoner + 21 neutroner + 19 elektroner, som sammenlægger det ulige antal 59, så det opfører sig som en fermion.
De formidlende partikler af interaktionerne er bosoner. Blandt disse partikler kan vi nævne følgende:
- Fotoner (formidlere af elektromagnetisme).
- Gluon (formidlere af stærk nuklear interaktion).
- Z- og W-bosoner (formidlere af svag nuklear interaktion).
- Graviton (formidlere af gravitationsinteraktion).
Blandt de sammensatte bosoner er følgende:
- Deuteriumkerne (1 proton og 1 neutron).
- Helium-4 atom (2 protoner + 2 neutroner + 2 elektroner).
Når summen af protoner, neutroner og elektroner i et neutralt atom resulterer i et heltal, vil opførslen være boson.
Et år før fermionkondensatet blev opnået, var dannelsen af molekyler med fermioniske atomer, der dannede tæt koblede par, der opførte sig som bosoner, blevet opnået. Dette betragtes imidlertid ikke som et rent fermionisk kondensat, men ligner snarere et bosonisk kondensat.
Men hvad der blev udført den 16. december 2003 af teamet af Deborah Jin, Markus Greiner og Cindy Regal fra JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var dannelsen af et kondensat af par af individuelle fermioniske atomer i en gas..
I dette tilfælde danner paret af atomer ikke et molekyle, men bevæger sig sammen på en korreleret måde. Således fungerer paret fermioniske atomer som en helhed som et boson, og derfor er deres kondensation opnået..
For at opnå denne kondens startede JILA-teamet fra en gas med kalium-40 atomer (som er fermioner), som var begrænset i en optisk fælde ved 300 nanokelvin..
Gassen blev derefter udsat for et oscillerende magnetfelt for at ændre den frastødende interaktion mellem atomer og gøre den til en attraktiv interaktion gennem et fænomen kendt som "Fesbach-resonans.".
Justering af parametrene for magnetfeltet korrekt gør det muligt for atomer at danne Cooper-par i stedet for molekyler. Derefter fortsætter det med at afkøle for at opnå det fermioniske kondensat.
Den teknologi, der er udviklet til at opnå fermioniske kondensater, hvor atomer praktisk talt manipuleres næsten individuelt, vil muliggøre udvikling af kvantecomputering blandt andre teknologier..
Det vil også forbedre forståelsen af fænomener som superledningsevne og superfluiditet, hvilket tillader nye materialer med specielle egenskaber. Derudover er det blevet opdaget, at der er et mellemliggende punkt mellem superfluiditeten af molekylerne og den konventionelle gennem dannelsen af Cooper-par.
Manipulationen af ultrakolde atomer giver os mulighed for at forstå forskellen mellem disse to måder at producere superfluider på, hvilket helt sikkert vil resultere i udviklingen af superledningsevne ved høj temperatur.
Faktisk er der i dag superledere, at selvom de ikke arbejder ved stuetemperatur, fungerer de ved temperaturer af flydende nitrogen, hvilket er relativt billigt og let at få..
Ved at udvide begrebet fermioniske kondensater ud over fermion atomgasser, kan der findes adskillige eksempler, hvor fermioner kollektivt indtager lavenergikvantumniveauer..
Den første som allerede sagt er elektronerne i en superleder. Disse er fermioner, der tilpasser sig parvis for at optage de laveste kvanteniveauer ved lave temperaturer, der udviser kollektiv bosonlignende opførsel og reducerer viskositet og modstand mod nul..
Et andet eksempel på fermionisk klyngedannelse i lavenergitilstande er kvarkkondensater. Helium-3-atomet er også en fermion, men ved lave temperaturer danner det Cooper-par med to atomer, der opfører sig som bosoner og udviser overflødig adfærd..
Endnu ingen kommentarer