Sifat kondensat fermionik, aplikasi dan contoh

A Fermi Condensate Ia adalah, dalam erti kata yang ketat, gas yang sangat dicairkan yang dibentuk oleh atom fermionik yang telah menjalani suhu hampir dengan sifar mutlak. Dengan cara ini, dan di bawah keadaan yang mencukupi, mereka pergi ke fasa yang berlebihan, membentuk keadaan baru pengagregatan perkara.

Kondensat fermionik pertama diperoleh pada 16 Disember 2003 di Amerika Syarikat, terima kasih kepada pasukan ahli fizik dari beberapa universiti dan institusi. Eksperimen yang digunakan kira-kira 500 ribu atom kalium-40 di bawah medan magnet berubah-ubah dan pada suhu 5 x 10^-8 Kelvin.

Magnet Superconductor. Sumber: Pixabay

Suhu ini dianggap dekat dengan sifar mutlak dan jauh lebih rendah daripada suhu ruang intergalactic, iaitu kira -kira 3 kelvin. Zero suhu mutlak difahami sebagai 0 kelvin dicapai bersamaan dengan -273.15 darjah Celsius. Kemudian 3 Kelvin sesuai dengan -270.15 darjah Celsius.

Beberapa saintis menganggap bahawa kondensat fermionik adalah status seks perkara. Empat negeri pertama lebih akrab untuk semua: pepejal, cecair, gas dan plasma.

Sebelum ini, keadaan kelima perkara telah diperolehi apabila kondensat atom bosonik dicapai. Kondensat pertama ini dicipta pada tahun 1995 dari gas yang sangat dicairkan Rubidio-87 yang disejukkan hingga 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Kepentingan suhu rendah

Atom berkelakuan sangat berbeza dengan suhu yang hampir dengan sifar mutlak, bergantung pada nilai momentum sudut intrinsiknya atau putaran.

Ini membahagikan zarah dan atom ke dalam dua kategori:

- The Bosons, yang adalah orang yang mempunyai putaran keseluruhan (1, 2, 3, ...).

- Fermion, yang mempunyai putaran separuh menembus (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosons tidak mempunyai sekatan, dalam erti kata bahawa dua atau lebih daripada mereka boleh menduduki keadaan kuantum yang sama.

Sebaliknya, fermions memenuhi prinsip pengecualian Pauli: dua atau lebih fermions tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang sama, atau dengan kata lain: hanya ada fermion oleh keadaan kuantum.

Perbezaan asas antara boson dan fermion menjadikan kondensat fermionik.

Agar fermions untuk menduduki semua tahap kuantum terendah, perlu mereka menjajarkan secara berpasangan, untuk membentuk panggilan "Pasangan Cooper"Mereka mempunyai tingkah laku bosonik.

Boleh melayani anda: undang -undang darcy

Sejarah, asas dan sifat

Kembali pada tahun 1911, ketika Heike Kamerlingh Onnes mengkaji rintangan merkuri yang diserahkan kepada suhu yang sangat rendah menggunakan helium cecair sebagai penyejuk, dia mendapati bahawa ketika mencapai suhu 4.2 k (-268.9 Celsius), rintangan itu tiba-tiba menjadi sifar.

Superconductor pertama telah dijumpai dengan cara yang tidak dirancang.

Tanpa mengetahui, h.K. Onnes telah berjaya meletakkan elektron memandu bersama -sama pada tahap kuantum terendah, fakta bahawa pada dasarnya tidak mungkin kerana elektron adalah fermion.

Elektron telah dicapai ke fasa berlebihan di dalam logam, tetapi kerana mereka mempunyai cas elektrik, mereka menyebabkan aliran cas elektrik dengan kelikatan sifar dan akibatnya sifar rintangan elektrik.

Sama h.K. Onnes di Leiden, Holland mendapati bahawa helium yang digunakannya sebagai penyejuk pergi ke keadaan berlebihan apabila suhu 2.2 K (-270.9 Celsius) dicapai.

Tanpa mengetahui, h.K. Onnes telah berjaya untuk pertama kalinya untuk disatukan pada tahap kuantumnya yang lebih rendah ke atom helium yang mana dia disejukkan ke Mercury. Dengan cara dia juga menyedari bahawa apabila suhu berada di bawah suhu kritikal tertentu, helium itu diserahkan kepada fasa berlebihan (kelikatan sifar).

Teori Superconductivity

Helio-4 adalah boson dan berkelakuan seperti itu, jadi mungkin untuk bergerak dari fasa cecair normal ke fasa berlebihan.

Walau bagaimanapun, tidak ada yang dianggap sebagai kondensat fermionik atau bosonik. Dalam kes superkonduktiviti, fermion seperti elektron berada di dalam rangkaian merkuri kristal; Dan dalam hal helium yang berlebihan, ia telah hilang dari fasa cecair ke fasa yang berlebihan.

Penjelasan teoritis mengenai superkonduktiviti datang kemudian. Ia adalah teori BCS yang terkenal yang dibangunkan pada tahun 1957.

Teori menyatakan bahawa elektron berinteraksi dengan pasangan yang membentuk rangkaian kristal yang bukannya mengulanginya. Dengan cara ini elektron secara keseluruhan, boleh menduduki keadaan kuantum tenaga yang lebih rendah, selagi suhu cukup rendah.

Cara menghasilkan fermions kondensat?

Kondensat fermion atau boson yang sah mesti bermula dari gas yang sangat dicairkan yang terdiri daripada atom fermionik atau bosonik, yang menyejukkan sedemikian rupa sehingga zarah -zarah mereka semua lulus ke keadaan kuantum terendah.

Boleh melayani anda: Barrada Spiral Galaxy: Pembentukan, Evolusi, Ciri -ciri

Kerana ini jauh lebih rumit daripada mendapatkan kondensat boson, baru -baru ini apabila jenis kondensat telah dibuat.

Fermion adalah zarah atau konglomerat zarah dengan jumlah putaran semi -alero. Elektron, proton dan neutron adalah semua zarah dengan putaran ½.

Teras helio-3 (dua proton dan satu neutron) berkelakuan seperti fermion. Atom neutral kalium-40 mempunyai 19 proton + 21 neutron + 19 elektron, yang menambah sehingga nombor ganjil 59, jadi ia bertindak sebagai fermion.

Zarah pengantara

Zarah pengantara interaksi adalah boson. Antara zarah ini kita boleh namakan perkara berikut:

- Foton (mediator elektromagnetisme).

- Gluon (mediator interaksi nuklear yang kuat).

- Bosons Z dan W (pengantara interaksi nuklear yang lemah).

- Gravitón (mediator interaksi graviti).

Boson kompaun

Antara bosan kompaun adalah seperti berikut:

- Deuterium Nucleus (1 Proton dan 1 Neutron).

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

Dengan syarat bahawa jumlah proton, neutron dan elektron atom neutral berada dalam integer tingkah laku akan menjadi bosón.

Bagaimana kondensat fermionik diperoleh

Setahun sebelum mencapai fermions kondensat, pembentukan molekul dengan atom fermionik yang terbentuk dengan kuat ditambah pasangan yang berkelakuan seperti boson telah dicapai. Walau bagaimanapun, ini tidak dianggap sebagai kondensat fermionik yang tulen, tetapi menyerupai kondensat bosonik.

Tetapi apa yang dicapai pada 16 Disember 2003 oleh pasukan yang terdiri daripada Deborah Jin, Markus Greiner dan Cindy Regal dari Makmal Jila di Boulder, Colorado, adalah pembentukan kondensat pasang atom fermionik individu dalam gas dalam gas dalam gas dalam gas dalam gas dalam gas dalam gas dalam gas.

Dalam kes ini, sepasang atom tidak membentuk molekul, tetapi mereka bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Oleh itu, bersama -sama pasangan atom fermionik bertindak sebagai boson, oleh itu pemeluwapannya telah dicapai.

Untuk mencapai pemeluwapan ini, pasukan Jila bermula dari gas dengan kalium-40 (yang fermions) atom, yang terkurung dalam perangkap optik hingga 300 nanokelvin.

Boleh melayani anda: Apakah keseimbangan dinamik? (Dengan contoh)

Kemudian gas itu tertakluk kepada medan magnet berayun untuk mengubah interaksi yang menjijikkan antara atom dan menjadikannya interaksi yang menarik, melalui fenomena yang dikenali sebagai "Fesbach Resonance".

Melaraskan parameter medan magnet dengan betul Ia dicapai bahawa atom -atom Cooper dan bukannya molekul dan bukannya molekul. Kemudian ia terus sejuk untuk mencapai kondensat fermionik.

Aplikasi dan contoh

Teknologi yang dibangunkan untuk mencapai kondensat fermionik, di mana atom -atom praktikal dimanipulasi hampir secara individu, akan membolehkan pembangunan pengkomputeran kuantum, antara teknologi lain.

Ia juga akan meningkatkan pemahaman fenomena seperti superkonduktiviti dan kehebatan yang membolehkan bahan -bahan baru dengan sifat khas. Ia juga telah mendapati bahawa terdapat titik pertengahan antara kehebatan molekul dan konvensional melalui pembentukan pasangan Cooper.

Manipulasi atom Ultrafrios akan membolehkan kita memahami perbezaan antara kedua -dua cara ini menghasilkan kelebihan, yang pasti akan menghasilkan perkembangan superkonduktiviti suhu tinggi.

Malah, hari ini terdapat superkonduktor yang walaupun mereka tidak bekerja pada suhu bilik, mereka bekerja pada suhu nitrogen cecair, yang agak murah dan mudah diperoleh.

Memperluas konsep kondensat fermionik di luar gas atom fermion, banyak contoh boleh didapati di mana fermion secara kolektif menduduki tahap kuantum tenaga rendah.

Yang pertama seperti yang dikatakan adalah elektron dalam superkonduktor. Ini adalah fermion yang diselaraskan secara berpasangan untuk menduduki tahap kuantum terendah pada suhu rendah, mempamerkan tingkah laku bosonik kolektif dan mengurangkan kelikatan dan rintangan kepada sifar.

Satu lagi contoh kumpulan fermionik di negeri -negeri yang rendah adalah kuarks kondensat. Juga atom helio-3 adalah fermion, tetapi pada suhu rendah bentuk Cooper dari dua atom yang berkelakuan seperti boson dan mempamerkan tingkah laku yang berlebihan.

Rujukan

1. K Goral dan K Burnett. Fermionic pertama untuk kondensasi. Pulih dari: physicsworld.com
2. M Grander, C Regal, D Jin. Fermi Condensates. Pulih dari: pengguna.Fizik.Harvard.Edu
3. P rodgers dan b dumé. Ferms Condensate membuat debutnya. Pulih dari: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionic Condensate. Wikiwand pulih.com
5. Wikiwand. Fermionic Condensate. Wikiwand pulih.com