FERMIONISKAIS KONDENSĀTS: ĪPAŠĪBAS, PIELIETOJUMS UN PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Fermi kondensāta ir, stingrā nozīmē, ļoti atšķaidītu gāze, kas sastāv no fermionic atomiem, kas ir pakļautas temperatūrā, kas tuva absolūtās nulles. Tādā veidā un piemērotos apstākļos tie nonāk superšķidrā fāzē, veidojot jaunu matērijas agregācijas stāvokli.

Pirmais fermionālais kondensāts tika iegūts 2003. gada 16. decembrī Amerikas Savienotajās Valstīs, pateicoties fiziķu komandai no dažādām universitātēm un institūcijām. Eksperimentā tika izmantoti apmēram 500 tūkstoši kālija-40 atomu, kas pakļauti mainīgam magnētiskajam laukam un 5 x ^10–8 Kelvina temperatūrai .

Supravadošs magnēts. Avots: pixabay

Šī temperatūra tiek uzskatīta par tuvu absolūtai nullei un ir ievērojami zemāka par starpgalaktisko telpu temperatūru, kas ir aptuveni 3 kelvini. Temperatūras absolūtā nulle tiek saprasta kā 0 Kelvins, kas ir ekvivalents -273,15 grādiem pēc Celsija. Tātad 3 kelvini atbilst -270,15 grādiem pēc Celsija.

Daži zinātnieki fermiono kondensātu uzskata par dzimuma lietu. Pirmie četri stāvokļi ir visiem pazīstamākie: cietais, šķidrums, gāze un plazma.

Iepriekš tika iegūts piektais matērijas stāvoklis, kad tika sasniegts bozonu atomu kondensāts. Šis pirmais kondensāts tika izveidots 1995. gadā no ļoti atšķaidītas rubidija-87 gāzes, kas atdzesēta līdz 17 x 10 ^-8 Kelvīniem.

Zemu temperatūru nozīme

Atomi ļoti atšķirīgi izturas temperatūrās, kas ir tuvu absolūtai nullei, atkarībā no to iekšējā leņķiskā momenta vai griešanās lieluma.

Tādējādi daļiņas un atomi tiek sadalīti divās kategorijās:

- Bozoni, kas ir veseli skaitļi ar griešanos (1, 2, 3,…).

- Fermioni, kas ir ar daļēji veselu skaitli (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bosoniem nav ierobežojumu tādā nozīmē, ka divi vai vairāki no tiem var aizņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli.

No otras puses, fermioni pilda Pauli izslēgšanas principu: divas vai vairākas fermijas nevar ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli vai, citiem vārdiem sakot: katrā kvantu stāvoklī var būt tikai viens fermions.

Šī būtiskā atšķirība starp bozoniem un fermioniem padara fermioniskos kondensātus grūtāk iegūt nekā bozonos.

Lai fermioni aizņemtu visus zemākos kvantu līmeņus, ir nepieciešams, lai tie iepriekš izlīdzinātos pa pāriem, lai veidotu tā sauktos “Kūpera pārus”, kuriem ir bosoniska uzvedība.

Vēsture, pamati un īpašības

Jau 1911. gadā, kad Heike Kamerlingh Onnes pētīja dzīvsudraba izturību, kas pakļauta ļoti zemām temperatūrām, izmantojot dzesēšanas šķidrumu hēliju, viņš atklāja, ka, sasniedzot 4,2 K (-268,9 Celsija) temperatūru, pretestība pēkšņi samazinājās līdz nullei. .

Pirmais supravadītājs tika atrasts negaidītā veidā.

To nezinot, HK Onnesam bija izdevies visus vadīšanas elektronus salikt zemākajā kvantu līmenī, un tas faktiski nav iespējams, jo elektroni ir fermijas.

Tika panākts, ka elektroni nonāca virslidojošajā fāzē metāla iekšpusē, bet, tā kā tiem ir elektriskais lādiņš, tie rada elektriskā lādiņa plūsmu ar nulles viskozitāti un attiecīgi nulles elektrisko pretestību.

Pats HK Onnes Leidenā, Nīderlandē, bija atklājis, ka hēlijs, kuru viņš izmantoja kā dzesēšanas līdzekli, kļuva par superšķidrumu, sasniedzot temperatūru 2,2 K (-270,9 Celsija).

Nezinādams, ka HK Onnesam pirmo reizi bija izdevies apkopot hēlija atomus, ar kuriem viņš atdzesēja dzīvsudrabu to zemākajā kvantu līmenī. Ejot garām, viņš arī saprata, ka tad, kad temperatūra bija zemāka par noteiktu kritisko temperatūru, hēlijs pārgāja superplūsmas fāzē (nulles viskozitāte).

Supravadītspējas teorija

Hēlijs-4 ir bozons un uzvedas kā tāds, tieši tāpēc bija iespējams pāriet no parastās šķidrās fāzes uz superšķidrumu.

Tomēr neviens no tiem netiek uzskatīts par fermionu vai bozonu kondensātu. Supravadītspējas gadījumā fermioni, tāpat kā elektroni, atradās dzīvsudraba kristāla režģī; un superfluid hēlija gadījumā tas bija pārgājis no šķidrās fāzes uz superfidid fāzi.

Supravadītspējas teorētiskais skaidrojums nāca vēlāk. Tā ir plaši pazīstamā BCS teorija, kas izstrādāta 1957. gadā.

Teorija apgalvo, ka elektroni mijiedarbojas ar kristāla režģi, veidojot pārus, kuri tā vietā, lai atgrūstos viens no otra, pievilina viens otru, veidojot "Kūpera pārus", kas darbojas kā bozoni. Tādā veidā elektroni kopumā var aizņemt viszemākos enerģijas kvantu stāvokļus, ja vien temperatūra ir pietiekami zema.

Kā iegūt fermiona kondensātu?

Leģitīmam fermionam vai bozona kondensātam jāsākas no ļoti atšķaidītas gāzes, kas sastāv no fermioniskiem vai bozoniskiem atomiem, un kuru atdzesē tā, lai visas tās daļiņas nonāk zemākajos kvantu stāvokļos.

Tā kā tas ir daudz sarežģītāk nekā bozona kondensāta iegūšana, tikai nesen tika izveidoti šāda veida kondensāti.

Fermioni ir daļiņas vai daļiņu konglomerāti ar veselu pusi vesela. Elektrons, protons un neitrons ir visas spin daļiņas.

Hēlija-3 kodols (divi protoni un viens neitrons) uzvedas kā fermions. Kālija-40 neitrālajā atomā ir 19 protoni + 21 neitrons + 19 elektroni, kas veido nepāra skaitli 59, tāpēc tas uzvedas kā fermions.

Starpnieka daļiņas

Mijiedarbības daļiņas ir bozoni. Starp šīm daļiņām mēs varam nosaukt šādus:

- fotoni (elektromagnētisma starpnieki).

- Gluons (spēcīgas kodola mijiedarbības starpnieki).

- Bosons Z un W (vājas kodolenerģijas mijiedarbības starpnieki).

- Gravitons (gravitācijas mijiedarbības starpnieki).

Saliktie bozoni

Starp saliktajiem bozoniem var minēt šādus:

- deitērija kodols (1 protons un 1 neitrons).

- Hēlijs-4 atoms (2 protoni + 2 neitroni + 2 elektroni).

Ikreiz, kad neitrāla atoma protonu, neitronu un elektronu summa veido skaitli, uzvedība būs bozons.

Kā tika iegūts fermioniskais kondensāts

Gadu pirms fermiona kondensāta sasniegšanas tika panākta molekulu ar fermioniskiem atomiem veidošanās, kas veidoja cieši savienotus pārus, kuri izturējās kā bozoni. Tomēr tas netiek uzskatīts par tīru fermionu kondensātu, bet drīzāk atgādina bosonisko kondensātu.

Bet tas, ko 2003. gada 16. decembrī paveica Deborah Jin, Markus Greiner un Cindy Regal komanda no JILA laboratorijas Boulder, Kolorādo, bija atsevišķu fermionisko atomu pāru kondensāta veidošanās gāzē.

Šajā gadījumā atomu pāri neveido molekulu, bet gan pārvietojas savstarpēji korelētā veidā. Tādējādi kopumā fermiono atomu pāri darbojas kā bozons, līdz ar to ir sasniegts to kondensācija.

Lai panāktu šo kondensāciju, JILA komanda startēja no gāzes ar kālija-40 atomiem (kas ir fermioni), kas tika ieslēgta optiskā slazdā pie 300 nanokelviniem.

Pēc tam gāze tika pakļauta svārstīgam magnētiskajam laukam, lai mainītu atomu atbaidošo mijiedarbību un pārvērstu to par pievilcīgu, izmantojot fenomenu, kas pazīstams kā "Fesbaha rezonanse".

Pielāgojot magnētiskā lauka parametrus, atomiem ir iespējams molekulu vietā veidot Cooper pārus. Tad tas turpina dzesēšanu, lai iegūtu fermionu kondensātu.

Pieteikumi un piemēri

Fermionisko kondensātu iegūšanai izstrādātā tehnoloģija, kurā ar atomiem praktiski manipulē gandrīz individuāli, cita starpā ļaus attīstīt kvantu skaitļošanu.

Tas arī uzlabos izpratni par tādām parādībām kā supravadītspēja un superfluiditāte, ļaujot iegūt jaunus materiālus ar īpašām īpašībām. Turklāt ir atklāts, ka, izveidojot Kūpera pārus, starp molekulu superfluiditāti un parasto ir starpposms.

Īpaši strauji atomu manipulācijas ļaus mums saprast atšķirību starp šiem diviem superšķidrumu ražošanas veidiem, kas noteikti radīs supravadītspēju augstā temperatūrā.

Patiesībā šodien ir supravadītāji, lai arī tie nedarbojas istabas temperatūrā, bet strādā šķidrā slāpekļa temperatūrā, kas ir salīdzinoši lēta un viegli iegūstama.

Paplašinot fermiono kondensātu jēdzienu ārpus fermiona atomu gāzēm, var atrast daudzus piemērus, kur fermioni kopā aizņem zemas enerģijas kvantu līmeņus.

Pirmie, kā jau teikts, ir supravadītājā esošie elektroni. Tie ir fermioni, kas sakārtojas pa pāriem, lai zemā temperatūrā aizņemtu zemāko kvantu līmeni, uzrāda kolektīvu bozonam līdzīgu izturēšanos un samazina viskozitāti un pretestību līdz nullei.

Vēl viens fermionu grupēšanas piemērs zemas enerģijas apstākļos ir biezpiena kondensāti. Arī hēlija-3 atoms ir fermions, bet zemā temperatūrā tas veido divu atomu Cooper pārus, kas izturas kā bozoni un uzliek superfluidāru uzvedību.

Atsauces

1. K Goral un K Burnett. Fermionic vispirms kondensātiem. Atgūts no: physicsworld.com
2. M Grainers, C Regal, D Jin. Fermi kondensējas. Saturs iegūts no: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers un B Dumé. Fermions kondensāts debitē. Atgūts no: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermioniskais kondensāts. Atgūts no vietnes Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermioniskais kondensāts. Atgūts no vietnes Wikiwand.com