FERMIONSKI KONDENZAT: SVOJSTVA, PRIMJENA I PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Fermijevog kondenzat, u užem smislu, vrlo razrijeđene plin sastoji se od fermionic atoma koji su podvrgnuti temperaturi blizu apsolutnoj nuli. Na taj način i pod pogodnim uvjetima prelaze u natprosječnu fazu, formirajući novo stanje agregacije materije.

Prvi fermionski kondenzat dobiven je 16. prosinca 2003. u Sjedinjenim Državama, zahvaljujući timu fizičara s raznih sveučilišta i institucija. U pokusu je korišteno oko 500 tisuća atoma kalija-40 podvrgnuto promjenjivom magnetskom polju i temperaturi od 5 x 10 ^-8 Kelvina.

Superprevodni magnet. Izvor: pixabay

Ta se temperatura smatra blizu apsolutne nule i znatno je niža od temperature intergalaktičkog prostora, koja iznosi oko 3 Kelvina. Apsolutna nula temperature podrazumijeva 0 Kelvina, što je ekvivalentno -273,15 stupnjeva Celzija. Dakle, 3 Kelvina odgovara -270,15 stupnjeva Celzija.

Neki znanstvenici smatraju fermionski kondenzat seksualnim stanjem materije. Prva četiri stanja svima su najpoznatija: kruta, tekuća, plinska i plazma.

Prije toga, peto stanje materije dobiveno je kad se postigne kondenzat bozonskih atoma. Ovaj prvi kondenzat je stvoren 1995. godine iz vrlo razrijeđenog plina rubidij-87 ohlađenog na 17 x 10 ^-8 Kelvina.

Važnost niskih temperatura

Atomi se ponašaju vrlo različito na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, ovisno o vrijednosti svog unutarnjeg momenta ugla, ili centrifuge.

To dijeli čestice i atome u dvije kategorije:

- Bozoni, oni koji su s cijelim spin (1, 2, 3,…).

- Fermioni, oni s polu-cijelim spin (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bozoni nemaju nikakva ograničenja, u smislu da dva ili više njih mogu zauzimati isto kvantno stanje.

S druge strane, fermioni ispunjavaju Paulijevo načelo isključenja: dva ili više fermiona ne mogu zauzimati isto kvantno stanje, ili drugim riječima: može postojati samo jedan fermion po kvantnom stanju.

Ova temeljna razlika između bozona i fermiona otežava dobivanje fermionskih kondenzata od bozonskih.

Da bi fermioni zauzeli sve niže kvantne razine, potrebno je da se prethodno poravnaju u parovima, da formiraju takozvane "Cooper parove" koji imaju bozonsko ponašanje.

Povijest, temelji i svojstva

Još davne 1911., kada je Heike Kamerlingh Onnes proučavao otpornost žive podvrgnute vrlo niskim temperaturama koristeći tekući helij kao rashladno sredstvo, ustanovio je da je nakon postizanja temperature od 4,2 K (-268,9 Celzija) otpor naglo opao na nulu., Prvi superprevodnik pronađen je na neočekivan način.

Ne znajući za to, HK Onnes uspio je elektrone provodljivosti sve staviti na najnižu kvantnu razinu, što u principu nije moguće jer su elektroni fermioni.

Elektroni su mogli preći u superfluidnu fazu unutar metala, ali budući da imaju električni naboj, oni uzrokuju tok električnog naboja s nultom viskoznošću i posljedično nultim električnim otporom.

Sam HK Onnes u Leidenu, Nizozemska, ustanovio je da je helij koji je koristio kao rashladno sredstvo postao suvišak kada je dostignuta temperatura od 2,2 K (-270,9 Celzija).

Nesvjesno, HK Onnes je prvi put uspio spojiti atome helija s kojima je ohlađivao živu na njihovoj najnižoj kvantnoj razini. U prolazu je također shvatio da kada je temperatura ispod određene kritične temperature, helij prelazi u fazu super tekućine (nulta viskoznost).

Teorija superprovodljivosti

Helij-4 je bozon i ponaša se kao takav, zbog čega je bilo moguće prijeći iz normalne tekuće faze u fazu super tekućine.

Međutim, nijedan se od njih ne smatra fermionskim ili bozonskim kondenzatom. U slučaju supravodljivosti, fermioni su, poput elektrona, bili u kristalnoj rešetki žive; a u slučaju superfluidnog helija prešao je iz tekuće u superfluidnu fazu.

Teorijsko objašnjenje superprovodljivosti stiglo je kasnije. To je poznata teorija BCS razvijena 1957.

Teorija kaže da elektroni međusobno djeluju s kristalnom rešetkom koja tvori parove koji umjesto da se odbijaju, privlače jedni druge formirajući "Cooper parove" koji djeluju kao bozoni. Na taj način, elektroni u cjelini mogu zauzeti najniža energetska kvantna stanja, sve dok je temperatura dovoljno niska.

Kako proizvesti fermionski kondenzat?

Zakonski fermion ili bozonski kondenzat moraju polaziti od vrlo razrijeđenog plina sastavljenog od fermionskih ili bozonskih atoma, koji se hladi tako da sve njegove čestice dođu u najniža kvantna stanja.

Kako je to puno složenije od dobivanja bozovog kondenzata, ove su vrste kondenzata tek nedavno stvorene.

Fermioni su čestice ili konglomerati čestica s pola cijelog spina. Elektroni, protoni i neutroni su sve ½ čestice čestica.

Jezgro helija-3 (dva protona i jedan neutron) ponaša se poput fermiona. Neutralni atom kalija-40 ima 19 protona + 21 neutrona + 19 elektrona, koji zbroje neparni broj 59, pa se ponaša kao fermion.

Čestice posrednika

Čestice koje posreduju u interakcijama su bozoni. Među tim česticama možemo imenovati sljedeće:

- fotoni (posrednici elektromagnetizma).

- Gluon (posrednici jake nuklearne interakcije).

- Bozoni Z i W (posrednici slabe nuklearne interakcije).

- Graviton (posrednici gravitacijske interakcije).

Složeni bozoni

Među složeni bozoni su sljedeći:

- Deuterijsko jezgro (1 protona i 1 neutron).

- atom helija-4 (2 protona + 2 neutrona + 2 elektrona).

Kad god zbroj protona, neutrona i elektrona neutralnog atoma rezultira cijelim brojem, ponašanje će biti bozon.

Kako je dobiven fermionski kondenzat

Godinu dana prije postizanja fermionskog kondenzata postignuto je stvaranje molekula s fermionskim atomima koji su tvorili čvrsto spojene parove koji su se ponašali poput bozona. No to se ne smatra čistim fermionskim kondenzatom, već nalikuje bozonskom kondenzatu.

Ali ono što su postigli 16. prosinca 2003., tim Deborah Jin, Markus Greiner i Cindy Regal iz laboratorija JILA u Boulderu, u državi Colorado, bilo je stvaranje kondenzata iz parova pojedinačnih fermionskih atoma u plinu.

U ovom slučaju par atoma ne tvori molekulu, već se kreću zajedno na korelirani način. Tako u cjelini par fermionskih atoma djeluje kao bozon, čime je postignuta njihova kondenzacija.

Da bi postigli ovu kondenzaciju, tim JILA krenuo je od plina s kalijem-40 atoma (koji su fermioni), koji je bio zatvoren u optičku zamku na 300 nanokelvina.

Plin je tada podvrgnut oscilirajućem magnetskom polju kako bi promijenio odbojnu interakciju između atoma i pretvorio ga u privlačno, fenomenom poznat kao "Fesbachova rezonanca".

Pravilno podešavanje parametara magnetskog polja omogućuje atomima da formiraju Cooper parove umjesto molekula. Zatim nastavlja hlađenje da bi se dobio fermionski kondenzat.

Primjene i primjeri

Tehnologija razvijena za postizanje fermionskih kondenzata, u kojima se atomima gotovo pojedinačno manipulira, omogućit će se razvoj kvantnog računanja, između ostalih tehnologija.

Također će poboljšati razumijevanje pojava kao što su supravodljivost i natprosječnost, omogućujući nove materijale s posebnim svojstvima. Nadalje, otkriveno je da postoji intermedijarna točka između viška tekućine molekula i konvencionalne kroz formiranje Cooper-ovih parova.

Manipulacija ultrahladnim atomima omogućit će nam da shvatimo razliku između ova dva načina stvaranja superfluida, što će zasigurno rezultirati razvojem visokotemperaturne superprovodljivosti na visokoj temperaturi.

U stvari, danas postoje superprovodnici koji, iako ne rade na sobnoj temperaturi, rade na temperaturama tekućeg dušika, što je relativno jeftino i lako dobiti.

Proširivši pojam fermionskih kondenzata izvan atomskih fermionskih plinova, mogu se pronaći brojni primjeri gdje fermioni kolektivno zauzimaju niskoenergetske kvantne razine.

Prvi kao što je već rečeno jesu elektroni u superprovodniku. To su fermioni koji se poravnavaju u parovima i zauzimaju najniže kvantne razine na niskim temperaturama, pokazuju kolektivno bozonsko ponašanje i smanjuju viskoznost i otpornost na nulu.

Drugi primjer fermionskog grupiranja u niskoenergetskim stanjima su kvarkovi kondenzati. Također je atom helija-3 fermion, ali pri niskim temperaturama tvori Cooper parove od dva atoma koji se ponašaju poput bozona i pokazuju suvišno stanje.

Reference

1. K Goral i K Burnett. Fermionic prvi za kondenzate. Oporavilo od: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenzati. Preuzeto s: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers i B Dumé. Fermions kondenzat debitira. Oporavilo od: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Oporavak s Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Oporavak s Wikiwand.com