FERMIONICKÝ KONDENZÁT: VLASTNOSTI, APLIKÁCIE A PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Fermiho kondenzátu je, v užšom zmysle, veľmi zriedený plyn skladá z fermionic atómov, ktoré boli vystavené teplote blízko absolútnej nule. Týmto spôsobom a za vhodných podmienok prechádzajú do superfluidnej fázy, ktorá vytvára nový stav agregácie hmoty.

Prvý kondenzát fermionu bol získaný v USA 16. decembra 2003 vďaka tímu fyzikov z rôznych univerzít a inštitúcií. V experimente sa použilo približne 500 tisíc atómov draslíka-40 vystavených premenlivému magnetickému poľu a teplote 5 x ^10-8 Kelvinov.

Supravodivý magnet. Zdroj: pixabay

Táto teplota sa považuje za takmer nulovú a je výrazne nižšia ako teplota v medzigalaktickom priestore, ktorá je približne 3 kelviny. Absolútnou nulou teploty sa rozumie 0 kelvinov, čo zodpovedá -273,15 stupňov Celzia. Takže 3 Kelvin zodpovedá -270,15 stupňov Celzia.

Niektorí vedci považujú fermionický kondenzát za sexuálny stav hmoty. Prvé štyri štáty sú najznámejšie pre všetkých: tuhá látka, tekutina, plyn a plazma.

Predtým sa dosiahol piaty stav hmoty, keď sa dosiahol kondenzát bozonických atómov. Tento prvý kondenzát bol vytvorený v roku 1995 z veľmi zriedeného plynu rubídia-87 ochladeného na 17 x ^10-8 Kelvinov.

Dôležitosť nízkych teplôt

Atómy sa správajú veľmi rozdielne pri teplotách blízkych absolútnej nule, v závislosti od hodnoty ich vlastnej hybnosti alebo rotácie.

Týmto sa častice a atómy delia na dve kategórie:

- Bozóny, ktoré majú celé číslo (1, 2, 3, …).

- Fermiony, ktoré sú s čiastočne integerovým spinom (1/2, 3/2, 5/2, …).

Bosoni nemajú žiadne obmedzenia v tom zmysle, že dvaja alebo viacerí z nich môžu zaujímať rovnaký kvantový stav.

Na druhej strane, fermiony spĺňajú Pauliho vylučovaciu zásadu: dve alebo viac fermionov nemôže obsadzovať ten istý kvantový stav, alebo inými slovami: na kvantový stav môže existovať iba jedna fermión.

Tento zásadný rozdiel medzi bozónmi a fermiónmi sťažuje získanie fermionických kondenzátov ako bosonických.

Aby fermiony obsadzovali všetky nižšie kvantové úrovne, je potrebné, aby sa predtým zarovnali v pároch a vytvorili takzvané „Cooperove páry“, ktoré majú bosonické správanie.

História, základy a vlastnosti

Už v roku 1911, keď Heike Kamerlingh Onnes študoval odpor ortuti vystavenej veľmi nízkym teplotám pomocou kvapalného hélia ako chladiva, zistil, že po dosiahnutí teploty 4,2 K (-268,9 ° C) odpor prudko klesol na nulu. ,

Prvý supravodič sa našiel nečakaným spôsobom.

Bez toho, aby o tom vedeli, sa HK Onnes podarilo dať všetky vodivé elektróny dohromady na najnižšiu kvantovú úroveň, čo v zásade nie je možné, pretože elektróny sú fermiony.

Elektróny mohli prejsť do superfluidnej fázy vo vnútri kovu, ale pretože majú elektrický náboj, spôsobujú tok elektrického náboja s nulovou viskozitou a následne nulovým elektrickým odporom.

Samotný HK Onnes v Leidene v Holandsku zistil, že hélium, ktoré používal ako chladivo, sa stalo superfluidným, keď sa dosiahla teplota 2,2 K (-270,9 ° C).

HK Onnes sa nevedomky po prvý krát podarilo spojiť atómy hélia, pomocou ktorých ochladil ortuť na najnižšiu kvantovú úroveň. Pri prechode si tiež uvedomil, že keď teplota bola pod určitou kritickou teplotou, hélium prešlo do superfluidnej fázy (nulová viskozita).

Teória supravodivosti

Hélium-4 je bozón a správa sa ako taký, preto bolo možné prejsť z normálnej kvapalnej fázy do superfluidnej fázy.

Ani jeden z nich sa však nepovažuje za fermionický alebo bosonický kondenzát. V prípade supravodivosti boli fermióny, ako elektróny, v kryštálovej mriežke ortuti; a v prípade superfluidného hélia prešlo z kvapalnej fázy do superfluidnej fázy.

Teoretické vysvetlenie supravodivosti prišlo neskôr. Je to známa teória BCS vyvinutá v roku 1957.

Teória uvádza, že elektróny interagujú s pármi tvoriacimi kryštálovú mriežku, ktoré namiesto vzájomného odpudzovania navzájom priťahujú a vytvárajú „Cooperove páry“, ktoré pôsobia ako bozóny. Týmto spôsobom môžu elektróny ako celok obsadzovať kvantové stavy s najnižšou energiou, pokiaľ je teplota dostatočne nízka.

Ako vyrobiť kondenzát fermionu?

Legitímny fermión alebo kondenzát bozónov musí vychádzať z veľmi zriedeného plynu tvoreného fermionickými alebo bozónovými atómami, ktorý je ochladený takým spôsobom, aby všetky jeho častice prešli do najnižších kvantových stavov.

Pretože je to oveľa komplikovanejšie ako získavanie kondenzátu bozónov, tieto typy kondenzátov boli vytvorené len nedávno.

Fermiony sú častice alebo konglomeráty častíc s polovicou celej rotácie. Elektrón, protón a neutrón sú všetky polovice spinových častíc.

Jadro hélia-3 (dva protóny a jeden neutrón) sa správa ako fermión. Neutrálny atóm draslíka-40 má 19 protónov + 21 neutrónov + 19 elektrónov, ktoré sa zvyšujú na nepárne číslo 59, takže sa správa ako fermión.

Častice mediátora

Sprostredkovateľskými časticami interakcií sú bozóny. Medzi tieto častice môžeme zaradiť nasledujúce:

- Fotóny (mediátory elektromagnetizmu).

- Gluón (sprostredkovatelia silnej jadrovej interakcie).

- Bosóny Z a W (sprostredkovatelia slabej jadrovej interakcie).

- Graviton (sprostredkovatelia gravitačnej interakcie).

Zložené bozóny

Medzi zložené bozóny patria:

- jadro deutéria (1 protón a 1 neutrón).

- atóm hélia-4 (2 protóny + 2 neutróny + 2 elektróny).

Vždy, keď súčet protónov, neutrónov a elektrónov neutrálneho atómu vedie k celému číslu, bude to správanie bozón.

Ako sa získal fermionický kondenzát

Rok pred dosiahnutím kondenzátu fermiónu sa dosiahla tvorba molekúl s fermionickými atómami, ktoré tvorili pevne spojené páry, ktoré sa správali ako bozóny. Nepovažuje sa to však za čistý fermionický kondenzát, ale skôr sa to podobá bosonickému kondenzátu.

Ale to, čo sa podarilo 16. decembra 2003 tímom Deborah Jin, Markus Greiner a Cindy Regal z laboratória JILA v Boulder, Colorado, bolo vytvorenie kondenzátu párov jednotlivých fermionických atómov v plyne.

V tomto prípade pár atómov netvorí molekulu, ale spolu sa pohybuje spolu. Celkovo teda pár fermionických atómov pôsobí ako bozón, a preto sa dosiahla ich kondenzácia.

Na dosiahnutie tejto kondenzácie začal tím JILA z plynu s atómami draslíka-40 (čo sú fermiony), ktorý bol uzavretý v optickom lapači pri 300 nanokelvinoch.

Plyn bol potom vystavený oscilujúcemu magnetickému poľu, aby zmenil odpudivú interakciu medzi atómami a zmenil ho na atraktívne, prostredníctvom javu známeho ako „Fesbachova rezonancia“.

Primerané nastavenie parametrov magnetického poľa umožňuje atómom namiesto molekúl vytvárať Cooperove páry. Potom pokračuje v chladení, aby sa získal fermionický kondenzát.

Aplikácie a príklady

Technológia vyvinutá na dosiahnutie fermionických kondenzátov, v ktorej sú atómy prakticky manipulované takmer individuálne, umožní okrem iného aj vývoj kvantovej výpočtovej techniky.

Zlepší sa tým aj porozumenie javom, ako sú supravodivosť a superfluidita, čo umožní nové materiály so špeciálnymi vlastnosťami. Ďalej sa zistilo, že existuje medzistupeň medzi superfluiditou molekúl a konvenčnou molekulou vytvorením Cooperových párov.

Manipulácia s ultracold atómami nám umožní pochopiť rozdiel medzi týmito dvoma spôsobmi výroby superfluidov, čo bude určite viesť k rozvoju vysokoteplotnej supravodivosti.

V skutočnosti dnes existujú supravodiče, ktoré síce nepracujú pri izbovej teplote, ale pracujú pri teplotách tekutého dusíka, čo je relatívne lacné a ľahko dostupné.

Rozšírením koncepcie fermionických kondenzátov za atómové fermionové plyny sa dajú nájsť mnohé príklady, keď fermiony kolektívne zaberajú nízkoenergetické kvantové hladiny.

Prvý, ako už bolo povedané, sú elektróny v supravodiči. Sú to fermiony, ktoré sa vyrovnávajú v pároch tak, aby obsadzovali najnižšie kvantové hladiny pri nízkych teplotách, vykazujú kolektívne bosonické správanie a znižujú viskozitu a rezistenciu na nulu.

Ďalším príkladom fermionického zoskupenia v nízkoenergetických štátoch sú kvarkové kondenzáty. Atóm hélia-3 je tiež fermión, ale pri nízkych teplotách tvorí Cooperove dvojice atómov, ktoré sa správajú ako bozóny a prejavujú superfluidné správanie.

Referencie

1. K Goral a K Burnett. Fermionický prvý pre kondenzáty. Obnovené z: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Kondenzáty Fermi. Citované z: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers a B Dumé. Fermion kondenzát robí jeho debut. Obnovené z: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Obnovené z Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Obnovené z Wikiwand.com