FERMIONOS KONDENZÁTUM: TULAJDONSÁGOK, ALKALMAZÁSOK ÉS PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A Fermi kondenzátum a legszigorúbb értelemben egy nagyon híg gáz, amely fermion atomokból áll, amelyeket az abszolút nulla hőmérsékletnek vettek alá. Ilyen módon és megfelelő körülmények között szuperfolyadék fázisba kerülnek, és az anyag aggregációjának új állapotát képezik.

Az első fermionos kondenzátumot 2003. december 16-án állították elő az Egyesült Államokban, a különféle egyetemek és intézmények fizikus csoportjának köszönhetően. A kísérlet körülbelül 500 ezer kálium-40 atomot használt, változó mágneses mezőnek és ^5x10-8 Kelvin hőmérsékletnek kitéve.

Szupravezető mágnes. Forrás: pixabay

Ezt a hőmérsékletet az abszolút nulla közelében tartják, és lényegesen alacsonyabb, mint a galériák közötti tér hőmérséklete, amely körülbelül 3 Kelvin. A hőmérséklet abszolút nullája 0 kelvin, azaz -273,15 Celsius foknak felel meg. Tehát 3 Kelvin megfelel -270,15 Celsius foknak.

Egyes tudósok a fermionos kondenzátumot tekintik az anyag nemi állapotának. Az első négy állapot mindenki számára legismertebb: szilárd, folyékony, gáz és plazma.

Korábban az ötödik anyagállapotot kapták meg, amikor a boszonikus atomok kondenzátumát sikerült elérni. Ezt az első kondenzátumot 1995-ben hozták létre egy nagyon híg rubidium-87 gázból, amelyet ^17x10-8 Kelvin hőmérsékletre hűttek.

Az alacsony hőmérséklet fontossága

Az atomok nagyon eltérően viselkednek az abszolút nullához közeli hőmérsékleten, a belső szögmozgás vagy spin értékétől függően.

Ez a részecskéket és atomokat két kategóriába sorolja:

- A bozonok, amelyek egész spinnel rendelkeznek (1, 2, 3,…).

- Fermionok, amelyek félig egész spinnel rendelkeznek (1/2, 3/2, 5/2,…).

A boszonoknak nincs korlátozása abban az értelemben, hogy közülük kettő vagy több ugyanolyan kvantumállapotot foglalhat el.

Másrészt, a fermionok teljesítik a Pauli kizárás elvét: két vagy több fermion nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot, vagyis más szavakkal: kvantumállapotonként csak egy fermion lehet.

Ez a boszonok és a fermionok közötti alapvető különbség megnehezíti a fermionos kondenzátumok előállítását, mint a boszonikusok.

Ahhoz, hogy a fermionok elfoglalják az összes alsó kvantumszintet, szükséges, hogy korábban párosuljanak egymással, hogy kialakuljanak az úgynevezett „Cooper párok”, amelyek boszonikus viselkedéssel bírnak.

Előzmények, alapok és tulajdonságok

Még 1911-ben, amikor Heike Kamerlingh Onnes tanulmányozta a nagyon alacsony hőmérsékleteknek kitett higany ellenállását folyékony hélium hűtőfolyadékként való felhasználásával, azt találta, hogy 4,2 K (-268,9 Celsius) hőmérséklet elérésekor az ellenállás hirtelen nullára esett..

Az első szupravezetőt váratlanul találták meg.

Anélkül, hogy tudta volna, HK Onnesnek sikerült a vezetőképes elektronokat összeszerelni a legalacsonyabb kvantumszinten, ez az a tény, hogy elvileg nem lehetséges, mert az elektronok fermionok.

Elértük, hogy az elektronok a fém belsejében a szuperfolyadék fázisba kerüljenek, de mivel vannak elektromos töltésük, nulla viszkozitással és következésképpen nulla elektromos ellenállású elektromos töltést okoznak.

HK Onnes maga a hollandiai Leidenben találta meg, hogy a hűtőközegként használt hélium túlfolyékonyá vált, amikor a 2,2 K (-270,9 Celsius) hőmérsékletet elérték.

Tudatlanul, HK Onnesnek először sikerült összehoznia a hélium atomokat, amellyel a higanyt lehűti a legalacsonyabb kvantumszinten. Áthaladva azt is rájött, hogy amikor a hőmérséklet egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt van, a hélium a szuperfolyadék fázisba került (nulla viszkozitás).

A szupravezető képesség elmélete

A hélium-4 boszon, és mint ilyen viselkedik, ezért volt lehetséges a normál folyadékfázisból a szuperfolyadék fázisba lépni.

Ezek egyikét sem tekintik fermionos vagy boszonikus kondenzátumnak. A szupravezetõképesség esetén a fermionok, mint az elektronok, a higany kristályrácsában voltak; és a szuperfolyadék hélium esetében a folyadékfázisról a szuperfolyadék fázisra került.

A szupravezető képesség elméleti magyarázata később jött. Ez az 1957-ben kifejlesztett BCS-elmélet.

Az elmélet azt állítja, hogy az elektronok kölcsönhatásba lépnek a kristályrácsokkal, és olyan párokat képeznek, amelyek ahelyett, hogy megtévesztik egymást, vonzzák egymást, és "Cooper-párokat" képeznek, amelyek boszonként viselkednek. Ilyen módon az elektronok egésze elfoglalhatja a legalacsonyabb energiájú kvantumállapotokat, mindaddig, amíg a hőmérséklet elég alacsony.

Hogyan lehet fermion kondenzátumot előállítani?

A törvényes fermionnak vagy boszonkondenzátumnak egy nagyon híg gázból kell kezdődnie, amely fermionos vagy boszonikus atomokból áll, és oly módon lehűtik, hogy részecskéi mindegyike a legalacsonyabb kvantumállapotba kerüljön.

Mivel ez sokkal bonyolultabb, mint a boszonkondenzátum előállítása, csak az utóbbi időben hozták létre ezeket a kondenzátumokat.

A fermionok részecskék vagy részecskekonglomerátumok, amelyek fél egész centrifugálással rendelkeznek. Az elektron, a proton és a neutron mind ½ spin részecskék.

A hélium-3 magja (két proton és egy neutron) fermionként viselkedik. A kálium-40 semleges atomjának 19 protonja + 21 neutrona + 19 elektronja van, amelyek hozzáadják a páratlan 59-es számot, tehát fermionként viselkedik.

Közvetítő részecskék

Az interakciók közvetítő részecskéi bozonok. Ezen részecskék közül a következőket nevezhetjük el:

- fotonok (az elektromágnesesség közvetítői).

- Gluon (az erős nukleáris kölcsönhatás közvetítői).

- Bosons Z és W (a gyenge nukleáris kölcsönhatás közvetítői).

- Graviton (a gravitációs kölcsönhatás közvetítői).

Összetett bozonok

Az összetett bozonok között a következők találhatók:

- Deutériummag (1 proton és 1 neutron).

- Hélium-4 atom (2 proton + 2 neutron + 2 elektron).

Ha a semleges atom protonjainak, neutronjainak és elektronjainak összege egész számot eredményez, akkor a viselkedés bozonos lesz.

Hogyan kapott egy fermionos kondenzátumot?

Egy évvel a fermionkondenzátum elérése előtt olyan fermionatomokkal rendelkező molekulák képződtek, amelyek szorosan kapcsolt, boszonként viselkedő párokat képeznek. Ezt azonban nem tekintik tiszta fermionos kondenzátumnak, hanem inkább egy boszonikus kondenzátumhoz hasonlít.

De amit Deborah Jin, Markus Greiner és Cindy Regal készített a Colorado Boulderben, a JILA laboratóriumában, 2003. december 16-án, az egyes fermionatomok párjának kondenzátum képződése egy gázban.

Ebben az esetben az atompárok nem alkotnak molekulát, hanem összekapcsolódnak egymással. Így összességében a fermionos atom boszonként működik, ezért kondenzációt sikerült elérni.

A kondenzáció elérése érdekében a JILA csapata kálium-40 atomot tartalmazó gázból (ezek fermionok) indult, amelyet 300 nanokelvin optikai csapdába zártak.

A gázt ezután rezgő mágneses mezőnek vetettük alá, hogy megváltoztassuk az atomok közötti visszatükröző interakciót, és vonzóvá váljunk egy "Fesbach-rezonancia" néven ismert jelenség révén.

A mágneses mező paramétereinek megfelelő beállítása lehetővé teszi az atomok számára, hogy molekulák helyett Cooper párokat képezzenek. Ezután tovább hűti a fermionos kondenzátumot.

Alkalmazások és példák

A fermionos kondenzátumok előállítására kifejlesztett technológia, amelyben az atomokat szinte egyedileg manipulálják, lehetővé fogja tenni a kvantumszámítás fejlesztését a többi technológia között.

Javítani fogja a jelenségek, például a szupravezető képesség és a túlfolyékonyság megértését is, lehetővé téve új tulajdonságokkal rendelkező anyagokat. Azt is felfedezték, hogy van egy közbenső pont a molekulák és a szokásos túlfluiditás között, a Cooper-párok kialakulása révén.

Az ultrahíg atomok manipulálása lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük a különbséget a szuperfolyadékok előállítása e két módja között, ami minden bizonnyal a magas hőmérsékleti szupravezető képesség kialakulásához vezet.

Valójában manapság vannak olyan szupravezetők, amelyek bár szobahőmérsékleten nem működnek, folyékony nitrogén hőmérsékleten működnek, ami viszonylag olcsó és könnyen megszerezhető.

A fermionos kondenzátumok fogalmának az atom fermiongázokon túlmutató kiterjesztésével számos példát találhatunk, ahol a fermionok együttesen alacsony energiájú kvantumszinteket foglalnak el.

Az elsők, amint már említettük, a szupravezető elektronjai. Ezek olyan fermionok, amelyek párosan igazodnak, és alacsony hőmérsékleten elfoglalják a legalacsonyabb kvantumszintet, kollektív boszoniaszerű viselkedést mutatnak, és csökkentik a viszkozitást és az ellenállást nullára.

Az alacsony energiájú állapotokban a fermionos csoportosítás másik példája a kvarckondenzátumok. A hélium-3 atom szintén fermion, de alacsony hőmérsékleten két atom Cooper-párt képez, amelyek boszonként viselkednek, és szuperfolyadékosak.

Irodalom

1. K Goral és K Burnett. Először fermionos kondenzátumokhoz. Helyreállítva: fizikaworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenzálódik. Vissza a következőhöz: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers és B Dumé. A Fermions kondenzátum debütálja. Helyreállítva: fizikaworld.com.
4. Wikiwand. Fermionos kondenzátum. Helyreállítva a Wikiwand.com webhelyről
5. Wikiwand. Fermionos kondenzátum. Helyreállítva a Wikiwand.com webhelyről