ФЕРМИОНЕН КОНДЕНЗАТ: СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

А Ферми кондензат е, в тесния смисъл, много разреден газ, съставен от fermionic атоми, които са били подложени на температура близка до абсолютната нула. По този начин и при подходящи условия те преминават в свръхтечна фаза, образувайки ново състояние на агрегация на материята.

Първият фермионен кондензат е получен на 16 декември 2003 г. в САЩ, благодарение на екип от физици от различни университети и институции. В експеримента са използвани около 500 хиляди калиеви-40 атома, подложени на променливо магнитно поле и температура 5 х 10 ^-8 Келвина.

Свръхпроводящ магнит. Източник: pixabay

Тази температура се счита за близка до абсолютна нула и е значително по-ниска от температурата на междугалактическото пространство, която е около 3 Келвина. Под абсолютната нула на температурата се разбира 0 Келвин, което е еквивалентно на -273.15 градуса по Целзий. Така 3 Келвин съответства на -270,15 градуса по Целзий.

Някои учени смятат фермионния кондензат за половото състояние на материята. Първите четири състояния са най-познати на всички: твърди, течни, газови и плазмени.

Преди това беше получено пето състояние на материята, когато беше постигнат кондензат от бозонови атоми. Този първи кондензат е създаден през 1995 г. от много разреден газ рубидий-87, охладен до 17 х 10 ^-8 Келвин.

Значението на ниските температури

Атомите се държат много различно при температури, близки до абсолютната нула, в зависимост от стойността на техния вътрешен ъглов импулс или въртене.

Това разделя частиците и атомите на две категории:

- Бозоните, които са тези с цяло число на въртене (1, 2, 3,…).

- Фермиони, които са тези с полуцело спин (1/2, 3/2, 5/2,…).

Бозоните нямат никакви ограничения, в смисъл, че два или повече от тях могат да заемат едно и също квантово състояние.

От друга страна, фермионите изпълняват принципа на изключване на Паули: два или повече фермиона не могат да заемат едно и също квантово състояние или с други думи: може да има само един фермион на квантово състояние.

Тази основна разлика между бозоните и фермионите прави фермионните кондензати по-трудни за получаване от бозоните.

За да могат фермионите да заемат всички по-ниски квантови нива, е необходимо те предварително да се подравнят по двойки, за да образуват така наречените „Купър двойки“, които имат бозонно поведение.

История, основи и свойства

Още през 1911 г., когато Хайке Камерлинг Онес изучава устойчивостта на живак, подложен на много ниски температури, използвайки течен хелий като охлаждаща течност, той установява, че при достигане на температурата от 4,2 К (-268,9 Целзий) съпротивата рязко пада до нула., Първият свръхпроводник беше открит по неочакван начин.

Без да знае за това, HK Onnes успя да постави електроните на проводимост всички заедно на най-ниското квантово ниво, факт, който по принцип не е възможен, защото електроните са фермиони.

Възможно е електроните да преминат към свръхтечната фаза вътре в метала, но тъй като имат електрически заряд, те предизвикват поток от електрически заряд с нулев вискозитет и съответно нулево електрическо съпротивление.

Самият HK Onnes в Лайден, Холандия бе установил, че хелият, който той използва като хладилен агент, става свръхтечен при достигане на температурата от 2,2 K (-270,9 Celzius).

Несъзнателно HK Onnes за първи път успя да обедини хелиевите атоми, с които охлажда живака на най-ниското им квантово ниво. В миналото той също разбра, че когато температурата е под определена критична температура, хелият преминава в свръхтечна фаза (нулев вискозитет).

Теорията за свръхпроводимостта

Хелий-4 е бозон и се държи като такъв, затова беше възможно да се премине от нормалната течна фаза към свръхтечната фаза.

Но нито едно от тях не се счита за фермионен или бозонов кондензат. В случай на свръхпроводимост, фермионите, подобно на електроните, са били в кристалната решетка на живак; и в случай на свръхтечен хелий, той премина от течна фаза в свръхтечна фаза.

Теоретичното обяснение за свръхпроводността дойде по-късно. Това е добре познатата теория на BCS, разработена през 1957 г.

Теорията гласи, че електроните взаимодействат с кристалните решетки, образуващи двойки, които вместо да се отблъскват един друг, се привличат един друг, образувайки "двойки на Купър", които действат като бозони. По този начин електроните като цяло могат да заемат най-ниските енергийни квантови състояния, стига температурата да е достатъчно ниска.

Как да произведем фермионов кондензат?

Законният фермион или бозонов кондензат трябва да започва от много разреден газ, съставен от фермионни или бозонови атоми, който се охлажда по такъв начин, че всички негови частици да отидат в най-ниските квантови състояния.

Тъй като това е много по-сложно от получаването на кондензат от бозон, едва наскоро са създадени тези видове кондензати.

Фермионите са частици или конгломерати от частици с половин цяло завъртане. Електронът, протонът и неутронът са всички ½ спинови частици.

Ядрото на хелий-3 (два протона и един неутрон) се държи като фермион. Неутралният атом на калий-40 има 19 протона + 21 неутрона + 19 електрона, които се събират до нечетно число 59, така че той се държи като фермион.

Частици на посредника

Посредствените частици на взаимодействията са бозони. Сред тези частици можем да назовем следното:

- Фотони (медиатори на електромагнетизма).

- Gluon (медиатори на силно ядрено взаимодействие).

- Бозони Z и W (медиатори на слабо ядрено взаимодействие).

- Гравитон (медиатори на гравитационното взаимодействие).

Съставни бозони

Сред сложните бозони са следните:

- Деутериево ядро ​​(1 протон и 1 неутрон).

- атом хелий-4 (2 протона + 2 неутрона + 2 електрона).

Всеки път, когато сумата от протони, неутрони и електрони на неутрален атом води до цяло число, поведението ще бъде бозон.

Как се получава фермионен кондензат

Година преди постигането на фермионовия кондензат е постигнато образуването на молекули с фермионни атоми, които образуват плътно свързани двойки, които се държат като бозони. Това обаче не се счита за чист фермионен кондензат, а по-скоро прилича на бозонов кондензат.

Но това, което беше постигнато на 16 декември 2003 г. от екипа на Дебора Джин, Маркус Грейнер и Синди Регал от лабораторията JILA в Боулдър, Колорадо, беше образуването на кондензат от двойки отделни фермионни атоми в газ.

В този случай двойката атоми не образува молекула, а се движи заедно по съответен начин. По този начин като цяло двойката фермионни атоми действа като бозон, поради което е постигната кондензация.

За да постигне тази кондензация, екипът на JILA започна от газ с калий-40 атома (които са фермиони), който беше затворен в оптичен капан при 300 нанокелвина.

След това газът се подлага на осцилиращо магнитно поле, за да промени отблъскващото взаимодействие между атомите и да го превърне в привлекателно, чрез феномен, известен като "резонанс на Фесбах".

Регулирането на параметрите на магнитното поле прави възможно атомите да образуват Купър двойки вместо молекули. След това тя продължава да се охлажда до получаване на фермионовия кондензат.

Приложения и примери

Технологията, разработена за постигане на фермионни кондензати, при които атомите практически се манипулират почти индивидуално, ще позволи разработването на квантовите изчисления, наред с други технологии.

Освен това ще подобри разбирането на явления като свръхпроводимост и свръхтечност, ще позволи нови материали със специални свойства. Освен това беше открито, че има междинна точка между свръхтечността на молекулите и конвенционалната чрез образуването на двойки на Купър.

Манипулацията на ултра студени атоми ще ни позволи да разберем разликата между тези два начина за производство на свръхтечности, което със сигурност ще доведе до развитието на високотемпературна свръхпроводимост.

Всъщност днес има свръхпроводници, които въпреки че не работят при стайна температура, те работят при температури на течен азот, което е сравнително евтино и лесно за получаване.

Разширявайки концепцията за фермионните кондензати отвъд атомните фермионни газове, могат да се намерят множество примери, когато фермионите колективно заемат ниско енергийни квантови нива.

Първите, както вече беше казано, са електроните в свръхпроводник. Това са фермиони, които се подравняват по двойки, за да заемат най-ниските квантови нива при ниски температури, проявяващи колективно бозонно поведение и намаляване на вискозитета и устойчивостта до нула.

Друг пример за фермионно групиране в нискоенергийни състояния са кваркови кондензати. Също така атомът на хелий-3 е фермион, но при ниски температури образува Купър двойки от два атома, които се държат като бозони и проявяват свръхтечно поведение.

Препратки

1. К Горал и К Бърнет. Фермион първо за кондензати. Възстановено от: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Ферми кондензати. Извлечено от: users.physics.harvard.edu
3. Р Роджърс и Б Дюме. Fermions кондензат дебютира. Възстановено от: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Фермионен кондензат. Възстановено от Wikiwand.com
5. Wikiwand. Фермионен кондензат. Възстановено от Wikiwand.com