ФЕРМИОННЫЙ КОНДЕНСАТ: СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ И ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Ферми конденсат есть, в строгом смысле этого слова, очень разбавленный газ , состоящий из атомов фермионными , которые были подвергнуты до температуры , близкой к абсолютному нулю. Таким образом и при подходящих условиях они переходят в сверхтекучую фазу, образуя новое агрегатное состояние вещества.

Первый фермионный конденсат был получен 16 декабря 2003 года в США благодаря группе физиков из различных университетов и институтов. В эксперименте использовалось около 500 тысяч атомов калия-40, подвергшихся воздействию переменного магнитного поля и температуры 5 x 10 ^-8 Кельвинов.

Сверхпроводящий магнит. Источник: pixabay

Эта температура считается близкой к абсолютному нулю и намного ниже температуры межгалактического пространства, которая составляет около 3 градусов Кельвина. Под абсолютным нулем температуры понимается 0 Кельвинов, что эквивалентно -273,15 градуса Цельсия. Итак, 3 Кельвина соответствуют -270,15 градусам Цельсия.

Некоторые ученые считают фермионный конденсат половым состоянием вещества. Первые четыре состояния наиболее знакомы каждому: твердое, жидкое, газовое и плазменное.

Раньше пятое состояние вещества было получено, когда был получен конденсат бозонных атомов. Этот первый конденсат был образован в 1995 году из очень разбавленного газа рубидий-87, охлажденного до 17 x 10 ^-8 Кельвинов.

Важность низких температур

Атомы ведут себя по-разному при температурах, близких к абсолютному нулю, в зависимости от значения их собственного углового момента или спина.

Это делит частицы и атомы на две категории:

- Бозоны с целым спином (1, 2, 3,…).

- Фермионы с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2,…).

Бозоны не имеют никаких ограничений в том смысле, что два или более из них могут находиться в одном квантовом состоянии.

С другой стороны, фермионы выполняют принцип исключения Паули: два или более фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние, или, другими словами: на квантовое состояние может быть только один фермион.

Это фундаментальное различие между бозонами и фермионами делает фермионные конденсаты более трудными для получения, чем бозонные.

Чтобы фермионы заняли все нижние квантовые уровни, необходимо, чтобы они предварительно выстроились попарно, чтобы сформировать так называемые «куперовские пары», которые имеют бозонное поведение.

История, основы и свойства

Еще в 1911 году, когда Хайке Камерлинг-Оннес изучал сопротивление ртути при очень низких температурах с использованием жидкого гелия в качестве хладагента, он обнаружил, что при достижении температуры 4,2 К (-268,9 по Цельсию) сопротивление резко упало до нуля. ,

Неожиданным образом был обнаружен первый сверхпроводник.

Сам того не зная, Х.К. Оннес сумел собрать все электроны проводимости на самом низком квантовом уровне, что в принципе невозможно, поскольку электроны являются фермионами.

Электроны могли переходить в сверхтекучую фазу внутри металла, но поскольку у них есть электрический заряд, они вызывают поток электрического заряда с нулевой вязкостью и, следовательно, с нулевым электрическим сопротивлением.

Сам Х.К. Оннес из Лейдена, Нидерланды, обнаружил, что гелий, который он использовал в качестве хладагента, стал сверхтекучим при достижении температуры 2,2 К (-270,9 по Цельсию).

Сам того не зная, Х.К. Оннесу впервые удалось собрать вместе атомы гелия, которыми он охладил ртуть, на их низшем квантовом уровне. Попутно он также понял, что когда температура опускалась ниже некоторой критической температуры, гелий переходил в сверхтекучую фазу (нулевая вязкость).

Теория сверхпроводимости

Гелий-4 является бозоном и ведет себя соответствующим образом, поэтому можно было перейти от нормальной жидкой фазы к сверхтекучей фазе.

Однако ни один из них не считается фермионным или бозонным конденсатом. В случае сверхпроводимости фермионы, как и электроны, находились внутри кристаллической решетки ртути; а в случае сверхтекучего гелия он перешел из жидкой фазы в сверхтекучую фазу.

Теоретическое объяснение сверхпроводимости пришло позже. Это хорошо известная теория BCS, разработанная в 1957 году.

Теория утверждает, что электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой, образуя пары, которые вместо отталкивания притягиваются друг к другу, образуя «куперовские пары», которые действуют как бозоны. Таким образом, электроны в целом могут занимать квантовые состояния с самой низкой энергией, пока температура достаточно низкая.

Как получить фермионный конденсат?

Законный фермионный или бозонный конденсат должен исходить из очень разбавленного газа, состоящего из фермионных или бозонных атомов, который охлаждается таким образом, что все его частицы переходят в низшие квантовые состояния.

Поскольку это намного сложнее, чем получение бозонного конденсата, эти типы конденсатов были созданы только недавно.

Фермионы - это частицы или конгломераты частиц с половиной спина. Электрон, протон и нейтрон - все частицы со спином 1/2.

Ядро гелия-3 (два протона и один нейтрон) ведет себя как фермион. Нейтральный атом калия-40 имеет 19 протонов + 21 нейтрон + 19 электронов, что в сумме дает нечетное число 59, поэтому он ведет себя как фермион.

Частицы медиатора

Частицами-посредниками взаимодействий являются бозоны. Среди этих частиц можно назвать следующие:

- Фотоны (медиаторы электромагнетизма).

- Глюон (медиаторы сильного ядерного взаимодействия).

- Бозоны Z и W (медиаторы слабого ядерного взаимодействия).

- Гравитон (посредники гравитационного взаимодействия).

Составные бозоны

Среди составных бозонов можно выделить следующие:

- Ядро дейтерия (1 протон и 1 нейтрон).

- Атом гелия-4 (2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона).

Если сумма протонов, нейтронов и электронов нейтрального атома дает целое число, поведение будет бозонным.

Как был получен фермионный конденсат

За год до получения фермионного конденсата было достигнуто образование молекул с фермионными атомами, которые образовывали сильно связанные пары, которые вели себя как бозоны. Однако это не считается чистым фермионным конденсатом, а скорее напоминает бозонный конденсат.

Но 16 декабря 2003 года команда Деборы Джин, Маркуса Грейнера и Синди Регал из лаборатории JILA в Боулдере, штат Колорадо, достигла образования конденсата пар отдельных фермионных атомов в газе.

В этом случае пара атомов не образует молекулу, а движется вместе коррелированным образом. Таким образом, в целом пара фермионных атомов действует как бозон, следовательно, их конденсация была достигнута.

Чтобы достичь этой конденсации, команда JILA начала с газа с атомами калия-40 (которые являются фермионами), который был заключен в оптическую ловушку при 300 нанокельвинах.

Затем на газ воздействовали колеблющимся магнитным полем, чтобы изменить отталкивающее взаимодействие между атомами и превратить его в притягивающее посредством явления, известного как «резонанс Фесбаха».

Правильная настройка параметров магнитного поля позволяет атомам образовывать куперовские пары вместо молекул. Затем он продолжает охлаждение с получением фермионного конденсата.

Приложения и примеры

Технология, разработанная для получения фермионных конденсатов, в которой атомы практически управляются практически индивидуально, позволит развивать квантовые вычисления, среди других технологий.

Это также улучшит понимание таких явлений, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, позволяя создавать новые материалы с особыми свойствами. Кроме того, было обнаружено, что существует промежуточная точка между сверхтекучестью молекул и обычной через образование куперовских пар.

Манипуляции с ультрахолодными атомами позволят нам понять разницу между этими двумя способами получения сверхтекучих жидкостей, что, несомненно, приведет к развитию высокотемпературной сверхпроводимости.

Фактически, сегодня существуют сверхпроводники, которые, хотя и не работают при комнатной температуре, они работают при температурах жидкого азота, что относительно дешево и легко получить.

Расширяя концепцию фермионных конденсатов за пределы атомных фермионных газов, можно найти множество примеров, когда фермионы коллективно занимают квантовые уровни низких энергий.

Первые, как уже было сказано, - это электроны в сверхпроводнике. Это фермионы, которые выстраиваются парами, занимая самые низкие квантовые уровни при низких температурах, демонстрируя коллективное бозонное поведение и снижая вязкость и сопротивление до нуля.

Другой пример фермионной группировки в низкоэнергетических состояниях - кварковые конденсаты. Также атом гелия-3 является фермионом, но при низких температурах он образует куперовские пары из двух атомов, которые ведут себя как бозоны и демонстрируют сверхтекучий характер.

Ссылки

1. К. Горал и К. Бернетт. Фермионные в первую очередь для конденсатов. Получено с: Physicsworld.com
2. М. Грейнер, С. Регал, Д. Джин. Ферми-конденсаты. Получено с: users.physics.harvard.edu
3. П. Роджерс и Б. Дюме. Дебют конденсата Fermions. Получено с: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Фермионный конденсат. Получено с Wikiwand.com
5. Wikiwand. Фермионный конденсат. Получено с Wikiwand.com