Fermioniske kondensategenskaper, applikasjoner og eksempler

EN Fermi kondensat Det er i strengeste forstand en veldig fortynnet gass dannet av fermioniske atomer som har gjennomgått en temperatur nær absolutt null. På denne måten, og under tilstrekkelige forhold, går de til en overflødig fase, og danner en ny tilstand av aggregering av materie.

Den første fermioniske kondensatet ble oppnådd 16. desember 2003 i USA, takket være et team av fysikere fra flere universiteter og institusjoner. Eksperimentet brukte omtrent 500 tusen atomer med kalium-40 under et variabelt magnetfelt og ved en temperatur på 5 x 10^-8 Kelvin.

Superledermagnet. Kilde: Pixabay

Denne temperaturen anses som nær den absolutte null og er mye lavere enn temperaturen i det intergalaktiske rommet, som er omtrent 3 Kelvin. Absolutt temperatur null forstås da 0 Kelvin er nådd tilsvarende -273,15 grader Celsius. Da tilsvarer 3 Kelvin -270,15 grader Celsius.

Noen forskere vurderer at den fermioniske kondensatet er kjønnsstatusen til materie. De fire første delstatene er mer kjent for alle: fast, væske, gass og plasma.

Tidligere hadde det blitt oppnådd en femte tilstand av materie når et kondensat av bosoniske atomer ble oppnådd. Denne første kondensatet ble opprettet i 1995 fra en veldig fortynnet gass av Rubidio-87 avkjølt til 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Viktigheten av lave temperaturer

Atomer oppfører seg veldig annerledes enn temperaturer nær Absolute null, avhengig av verdien av dets iboende vinkelmomentum eller spinn.

Dette deler partikler og atomer i to kategorier:

- Bosonene, som er de som har en hel spinn (1, 2, 3, ...).

- Fermions, som er de som har et halvfirende spinn (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosoner har ingen begrensninger, i den forstand at to eller flere av dem kan okkupere den samme kvantetilstanden.

På den annen side oppfyller fermionene eksklusjonsprinsippet til Pauli: to eller flere fermioner kan ikke okkupere den samme kvantetilstanden, eller med andre ord: det kan bare være en fermion etter kvantetilstand.

Denne grunnleggende forskjellen mellom bosoner og fermioner gjør fermionisk kondensat.

For at Fermions skal okkupere alle de laveste kvantenivåene, er det nødvendig at de tidligere samkjører parvis, for å danne samtalene "Coopers par"De har bosonisk oppførsel.

Kan tjene deg: darcy lov

Historie, stiftelser og egenskaper

Tilbake i 1911, da Heike Kamerlingh Onnes studerte motstanden til kvikksølvet som ble sendt til svært lave temperaturer ved bruk av flytende helium som kjølemedium, fant han ut at når han nådde temperaturen på 4,2 K (-268,9 Celsius) falt motstanden brått til null.

Den første superlederen hadde blitt funnet på en ikke -planlagt måte.

Uten å vite det, h.K. Onnes hadde klart å plassere kjørelektroner sammen på det laveste kvantenivået, et faktum at i prinsippet ikke er mulig fordi elektroner er fermioner.

Elektroner hadde blitt oppnådd til den overflødige fasen inne i metallet, men ettersom de har elektrisk ladning, forårsaker de en elektrisk ladningsstrøm med null viskositet og følgelig null elektrisk motstand.

Den samme h.K. Onnes i Leiden, Holland hadde funnet ut at heliet han brukte som kjølemedium gikk til overflødig tilstand da temperaturen på 2,2 K (-270,9 Celsius) ble nådd.

Uten å vite det, h.K. Onnes hadde klart for første gang å plassere sammen på sitt lavere kvantenivå til heliumatomene som han avkjølte seg til kvikksølv. Forresten innså han også at når temperaturen var under en viss kritisk temperatur, førte helium til den overflødige fasen (null viskositet).

Superledelse teori

Helio-4 er en boson og oppfører seg som sådan, så det var mulig å bevege seg fra den normale væskefasen til den overflødige fasen.

Ingen av disse regnes imidlertid som en fermionisk eller bosonisk kondensat. I tilfelle av superledelse var fermioner som elektroner inne i det krystallinske nettverket av kvikksølv; Og når det.

Den teoretiske forklaringen på superledelsen kom senere. Det er den velkjente BCS -teorien som ble utviklet i 1957.

Teorien sier at elektroner samhandler med det krystallinske nettverket som danner par som i stedet for å gjenta dem. På denne måten kan elektroner som helhet okkupere kvantetilstandene med lavere energi, så lenge temperaturen er lav nok.

Hvordan produsere en Fermions kondensat?

Et legitimt kondensat av fermioner eller bosoner må starte fra en veldig fortynnet gass sammensatt av fermioniske eller bosoniske atomer, som avkjøles på en slik måte at partiklene deres alle passerer til de laveste kvantetilstandene.

Kan tjene deg: Barrada Spiral Galaxy: Formasjon, evolusjon, egenskaper

Siden dette er mye mer komplisert enn å få en Bosons -kondensat, er det først nylig når disse typer kondensat er opprettet.

Fermioner er partikler eller konglomerater av partikler med total semi -alero spinn. Elektronet, protonet og nøytronet er alle partikler med spinn ½.

Helio-3-kjerne (to protoner og ett nøytron) oppfører seg som en fermion. Det nøytrale atomet i kalium-40 har 19 protoner + 21 nøytroner + 19 elektroner, som legger opp til ODD-tallet 59, så det oppfører seg som en fermion.

Formidlende partikler

De formidlende partiklene i interaksjonene er bosoner. Blant disse partiklene kan vi navngi følgende:

- Photons (elektromagnetismeformidlere).

- Gluon (Mediators of Strong Nuclear Interaction).

- Bosons Z og W (svake kjernefysiske interaksjonsmedler).

- Gravitón (Mediators of Gravitational Interaction).

Sammensatte bosoner

Blant de sammensatte bosonene er følgende:

- Deuteriumkjernen (1 proton og 1 nøytron).

- Helio-4 Atom (2 protoner + 2 nøytroner + 2 elektroner).

Forutsatt at summen av protoner, nøytroner og elektroner av et nøytralt atom er i et heltall, vil oppførselen være bosón.

Hvordan en fermionisk kondensat ble oppnådd

Et år før de oppnådde fermions kondensat, var dannelsen av molekyler med fermioniske atomer som dannet seg sterkt koblede par som oppførte seg som bosoner. Dette regnes imidlertid ikke som en ren fermionisk kondensat, men ligner heller på et bosonisk kondensat.

Men det som ble oppnådd 16. desember 2003 av teamet som består av Deborah Jin, Markus Greiner og Cindy Regal fra Jila Laboratory i Boulder, Colorado, var dannelsen av et kondensat av par individuelle fermioniske atomer i en gass i en gass.

I dette tilfellet danner ikke par atomer et molekyl, men de beveger seg sammen på en korrelert måte. Sammen fungerer paret av fermioniske atomer som en boson, og det er derfor oppnådd kondens.

For å oppnå denne kondensasjonen startet Jila-teamet fra en gass med kalium-40 (som er fermioner) atomer, som var innesperret i en optisk felle til 300 nanokelvin.

Kan tjene deg: Hva er dynamisk balanse? (Med eksempel)

Deretter ble gassen utsatt for et oscillerende magnetfelt for å endre den frastøtende interaksjonen mellom atomer og gjøre det til et attraktivt samspill, gjennom et fenomen kjent som "Fesbach Resonance".

Justere magnetfeltparametrene riktig oppnås at formatomene til Cooper i stedet for molekyler i stedet for molekyler. Så fortsetter det å avkjøles for å oppnå det fermioniske kondensatet.

Applikasjoner og eksempler

Teknologien utviklet for å oppnå fermionisk kondensat, der atomer praktisk talt manipuleres nesten individuelt, vil tillate utvikling av kvanteberegning, blant andre teknologier.

Det vil også forbedre forståelsen av fenomener som superledelse og overflødighet som tillater nye materialer med spesielle egenskaper. Det har også blitt oppdaget at det er et mellompunkt mellom overflødigheten av molekylene og den konvensjonelle gjennom dannelsen av Coopers par.

Manipulering av ultrafrrios -atomer vil tillate oss å forstå forskjellen mellom disse to måtene å produsere overflødige, noe som sikkert vil resultere i utvikling av superledelse med høy temperatur.

Faktisk er det i dag superledere at selv om de ikke fungerer ved romtemperatur, jobber de med flytende nitrogentemperaturer, noe som er relativt billig og enkelt å få.

Å utvide konseptet Fermionic Condensate utover atomgassene til fermioner, kan det finnes mange eksempler der fermioner samlet okkuperer kvantitetsnivåer av lav energi.

De første som allerede sagt er elektroner i en superleder. Dette er fermioner som er på linje i par for å okkupere de laveste kvantenivåene ved lave temperaturer, og viser kollektiv bosonisk oppførsel og reduserer viskositet og motstand mot null.

Et annet eksempel på en fermionisk gruppe i lav -energi -stater er kvarks kondensat. Også Helio-3-atomet er en fermion, men ved lave temperaturer former for Cooper av to atomer som oppfører seg som bosoner og viser overflødig oppførsel.

Referanser

1. K Goral og K Burnett. Fermionic først for kondensater. Gjenopprettet fra: PhysicsWorld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenserer. Gjenopprettet fra: Brukere.Fysikk.Harvard.Edu
3. P Rodgers og B Dumé. Ferms kondensat debuterer. Gjenopprettet fra: PhysicsWorld.com.
4. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Wikiwand kom seg.com
5. Wikiwand. Fermionisk kondensat. Wikiwand kom seg.com