EN Fermi kondensat i strengeste forstand er det en veldig fortynnet gass som består av fermioniske atomer som har blitt utsatt for en temperatur nær absolutt null. På denne måten, og under passende forhold, går de over i en superfluidfase og danner en ny tilstand av aggregering av materie..
Det første fermioniske kondensatet ble oppnådd 16. desember 2003 i USA, takket være et team av fysikere fra forskjellige universiteter og institusjoner. Eksperimentet brukte omtrent 500 tusen kalium-40 atomer utsatt for et variabelt magnetfelt og en temperatur på 5 x 10-8 Kelvin.
Den temperaturen anses å være nær absolutt null og er langt lavere enn temperaturen i det intergalaktiske rommet, som er omtrent 3 Kelvin. Det absolutte nulltemperaturen forstås å være 0 Kelvin, som tilsvarer -273,15 grader Celsius. Så 3 Kelvin tilsvarer -270,15 grader Celsius.
Noen forskere anser fermionisk kondensat som sexens tilstand. De fire første tilstandene er mest kjent for alle: fast stoff, væske, gass og plasma..
Tidligere hadde man oppnådd en femte tilstand av materie da et kondensat av bosoniske atomer ble oppnådd. Dette første kondensatet ble opprettet i 1995 fra en veldig fortynnet rubidium-87 gass avkjølt til 17 x 10-8 Kelvin.
Artikkelindeks
Atomer oppfører seg veldig forskjellig ved temperaturer nær absolutt null, avhengig av verdien av deres indre vinkelmoment eller spinn..
Dette deler partikler og atomer i to kategorier:
- Bosonene, som er de med heltalspinn (1, 2, 3, ...).
- Fermions, som er de med halvtallssnurr (1/2, 3/2, 5/2, ...).
Bosonene har ingen begrensninger, i den forstand at to eller flere av dem kan oppta samme kvantetilstand.
På den annen side overholder fermioner Pauli-utelukkelsesprinsippet: to eller flere fermioner kan ikke oppta samme kvantetilstand, eller med andre ord: det kan bare være en fermion per kvantetilstand.
Denne grunnleggende forskjellen mellom bosoner og fermioner gjør det vanskeligere å oppnå fermioniske kondensater enn bosoniske..
For at fermionene skal okkupere alle de laveste kvantenivåene, er det nødvendig at de tidligere justeres parvis for å danne den såkalte "Cooper-parSom har bosonisk oppførsel.
Tilbake i 1911, da Heike Kamerlingh Onnes studerte motstanden til kvikksølv som var utsatt for svært lave temperaturer ved bruk av flytende helium som kjølevæske, fant han at når temperaturen nådde 4,2 K (-268,9 Celsius), falt motstanden brått til null..
Den første superlederen ble funnet på en uventet måte.
Uvitende, H.K. Onnes hadde klart å plassere ledningselektronene sammen på det laveste kvantenivå, et faktum som i prinsippet ikke er mulig fordi elektronene er fermioner..
Det hadde blitt oppnådd at elektronene gikk til superfluidfasen inne i metallet, men siden de har en elektrisk ladning, forårsaker de en strøm av elektrisk ladning med null viskositet og følgelig null elektrisk motstand..
H.K. Onnes i Leiden, Nederland hadde funnet at heliumet det brukte som kjølemiddel ble overflødig da temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) ble nådd..
Uvitende, H.K. For første gang hadde Onnes lyktes i å bringe sammen heliumatomer som han avkjølte kvikksølv med på sitt laveste kvantennivå. I forbifarten innså han også at når temperaturen var under en viss kritisk temperatur, gikk heliumet over i superfluidfasen (null viskositet)..
Helium-4 er et boson og oppfører seg slik, det var derfor det var mulig å gå fra normal væskefase til superfluidfasen.
Imidlertid anses ingen av disse som et fermionisk eller bosonisk kondensat. I tilfelle av superledningsevne, var fermioner, som elektroner, innenfor krystallgitteret til kvikksølv; og i tilfelle av superfluid helium hadde den gått fra væskefasen til superfluidfasen.
Den teoretiske forklaringen på superledningsevne kom senere. Det er den velkjente BCS-teorien som ble utviklet i 1957.
Teorien hevder at elektroner samhandler med krystallgitteret som danner par som, i stedet for å frastøte, tiltrekker seg hverandre og danner "Cooper-par" som fungerer som bosoner. På denne måten kan elektronene som helhet okkupere de laveste energikvantantene, så lenge temperaturen er lav nok..
Et legitimt fermion- eller bosonkondensat må starte fra en veldig fortynnet gass sammensatt av fermioniske eller bosoniske atomer, som blir avkjølt på en slik måte at partiklene alle går over i de laveste kvantetilstandene..
Siden dette er mye mer komplisert enn å få et bosonkondensat, er det først nylig at disse typer kondensater er opprettet..
Fermions er partikler eller konglomerater av partikler med halv hel spinn. Elektronet, protonen og nøytronen er alle ½ spinnpartikler..
Kjernen til helium-3 (to protoner og en nøytron) oppfører seg som en fermion. Det nøytrale atomet av kalium-40 har 19 protoner + 21 nøytroner + 19 elektroner, som legger opp til oddetallet 59, så det oppfører seg som en fermion.
De formidlende partiklene i interaksjonene er bosoner. Blant disse partiklene kan vi nevne følgende:
- Fotoner (formidlere av elektromagnetisme).
- Gluon (meglere av sterk kjernefysisk interaksjon).
- Z- og W-bosoner (formidlere av svak atominteraksjon).
- Graviton (formidlere av gravitasjonsinteraksjon).
Blant de sammensatte bosoner er følgende:
- Deuteriumkjernen (1 proton og 1 nøytron).
- Helium-4 atom (2 protoner + 2 nøytroner + 2 elektroner).
Når summen av protoner, nøytroner og elektroner i et nøytralt atom resulterer i et helt tall, vil oppførselen være boson.
Et år før fermionkondensatet ble oppnådd, var det oppnådd dannelse av molekyler med fermioniske atomer som dannet tett sammenkoblede par som oppførte seg som bosoner. Dette regnes imidlertid ikke som et rent fermionisk kondensat, men ligner heller et bosonisk kondensat.
Men det som ble oppnådd 16. desember 2003 av teamet til Deborah Jin, Markus Greiner og Cindy Regal fra JILA-laboratoriet i Boulder, Colorado, var dannelsen av et kondensat av par av individuelle fermioniske atomer i en gass..
I dette tilfellet danner ikke atomparene et molekyl, men beveger seg sammen på en korrelert måte. Således fungerer paret fermioniske atomer som en helhet som et boson, og deres kondens er derfor oppnådd..
For å oppnå denne kondensasjonen startet JILA-teamet fra en gass med kalium-40-atomer (som er fermioner), som var begrenset i en optisk felle ved 300 nanokelvin..
Gassen ble deretter utsatt for et oscillerende magnetfelt for å endre den frastøtende interaksjonen mellom atomer og gjøre den til en attraktiv interaksjon, gjennom et fenomen kjent som "Fesbach-resonans.".
Å justere parametrene til magnetfeltet riktig gjør det mulig for atomer å danne Cooper-par i stedet for molekyler. Deretter fortsetter det å avkjøles for å oppnå det fermioniske kondensatet.
Teknologien som er utviklet for å oppnå fermioniske kondensater, der atomer praktisk talt manipuleres nesten hver for seg, vil muliggjøre utvikling av blant annet kvanteberegning..
Det vil også forbedre forståelsen av fenomener som superledningsevne og superfluiditet, slik at nye materialer med spesielle egenskaper. I tillegg er det blitt oppdaget at det er et mellomliggende punkt mellom overflødigheten av molekylene og det konvensjonelle gjennom dannelsen av Cooper-par..
Manipuleringen av ultrakolde atomer vil tillate oss å forstå forskjellen mellom disse to måtene å produsere superfluids på, noe som sikkert vil resultere i utvikling av superledningsevne ved høy temperatur.
Faktisk er det i dag superledere at selv om de ikke fungerer ved romtemperatur, fungerer de ved temperaturer av flytende nitrogen, noe som er relativt billig og lett å få..
Ved å utvide begrepet fermioniske kondensater utover fermion atomgasser, kan det finnes mange eksempler der fermioner samlet opptar lavenergienivåer..
Den første som allerede sagt er elektronene i en superleder. Dette er fermioner som justeres parvis for å oppta de laveste kvantennivåene ved lave temperaturer, og viser kollektiv bosonalignende oppførsel og reduserer viskositet og motstand mot null..
Et annet eksempel på fermionisk klynging i lavenergitilstander er kvarkkondensater. Helium-3-atomet er også et fermion, men ved lave temperaturer danner det Cooper-par med to atomer som oppfører seg som bosoner og utviser overflødig oppførsel..
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.