A Fermiho kondenzát je to v nejpřísnějším smyslu velmi zředěný plyn tvořený fermionovými atomy, které byly vystaveny teplotě blízké absolutní nule. Tímto způsobem a za vhodných podmínek přecházejí do supratekuté fáze a vytvářejí nový stav agregace hmoty..
První fermionový kondenzát byl získán 16. prosince 2003 ve Spojených státech díky týmu fyziků z různých univerzit a institucí. V experimentu bylo použito asi 500 tisíc atomů draslíku-40 vystavených proměnlivému magnetickému poli a teplotě 5 x 10-8 Kelvin.
Tato teplota je považována za blízkou absolutní nule a je výrazně nižší než teplota mezigalaktického prostoru, což je asi 3 Kelviny. Absolutní nula teploty se rozumí 0 Kelvinů, což odpovídá -273,15 stupňů Celsia. Takže 3 Kelviny odpovídají -270,15 stupňů Celsia.
Někteří vědci považují fermionový kondenzát za sexuální stav hmoty. První čtyři stavy jsou nejznámější pro všechny: pevná látka, kapalina, plyn a plazma..
Dříve byl pátý stav hmoty získán, když bylo dosaženo kondenzátu bosonových atomů. Tento první kondenzát byl vytvořen v roce 1995 z velmi zředěného plynu rubidia-87 ochlazeného na 17 x 10-8 Kelvin.
Rejstřík článků
Atomy se chovají velmi odlišně při teplotách blízkých absolutní nule, v závislosti na hodnotě jejich vlastního momentu hybnosti nebo rotace..
To rozděluje částice a atomy do dvou kategorií:
- Bosony, které jsou s celočíselným spinem (1, 2, 3, ...).
- Fermiony, které jsou ty s půlčíselným spinem (1/2, 3/2, 5/2, ...).
Bosony nemají žádné omezení v tom smyslu, že dva nebo více z nich může obsadit stejný kvantový stav.
Na druhou stranu, fermiony jsou v souladu s Pauliho vylučovacím principem: dva nebo více fermionů nemůže obsadit stejný kvantový stav, nebo jinými slovy: na kvantový stav může existovat pouze jeden fermion.
Tento zásadní rozdíl mezi bosony a fermiony ztěžuje získání fermionických kondenzátů než u bosonických..
Aby fermiony obsadily všechny nejnižší kvantové úrovně, je nutné, aby se dříve spojily ve dvojicích, aby vytvořily tzv.měděné páryKteré mají bosonické chování.
V roce 1911, kdy Heike Kamerlingh Onnes studoval odpor rtuti vystavené velmi nízkým teplotám s použitím kapalného hélia jako chladiva, zjistil, že při dosažení teploty 4,2 K (-268,9 Celsia) odpor náhle poklesl na nulu..
První supravodič byl nalezen neočekávaným způsobem.
H.K. Onnesovi se podařilo umístit vodivé elektrony dohromady na nejnižší kvantovou hladinu, což je v zásadě nemožné, protože elektrony jsou fermiony..
Bylo dosaženo toho, že elektrony prošly do supratekuté fáze uvnitř kovu, ale protože mají elektrický náboj, způsobují tok elektrického náboje s nulovou viskozitou a následně s nulovým elektrickým odporem..
H.K. Onnes v Leidenu v Nizozemsku zjistilo, že helium, které používalo jako chladivo, se stalo supratekutým, když bylo dosaženo teploty 2,2 K (-270,9 Celsia)..
H.K. Poprvé se Onnesovi podařilo spojit atomy hélia, se kterými ochladil rtuť na jejich nejnižší kvantovou hladinu. Mimochodem si také uvědomil, že když teplota byla pod určitou kritickou teplotou, helium prošlo do supertekuté fáze (nulová viskozita)..
Helium-4 je boson a chová se tak, proto bylo možné přejít z normální kapalné fáze do supratekuté fáze.
Ani jeden z nich se však nepovažuje za fermionický nebo bosonický kondenzát. V případě supravodivosti byly fermiony, jako elektrony, uvnitř krystalové mřížky rtuti; a v případě supertekutého hélia prošlo z kapalné fáze do supertekuté fáze.
Teoretické vysvětlení supravodivosti přišlo později. Je to známá teorie BCS vyvinutá v roce 1957.
Teorie tvrdí, že elektrony interagují s krystalovou mřížkou a tvoří páry, které se místo odpuzování navzájem přitahují a vytvářejí „Cooperovy páry“, které fungují jako bosony. Tímto způsobem mohou elektrony jako celek zabírat nejnižší kvantové stavy energie, pokud je teplota dostatečně nízká..
Legitimní fermion nebo bosonový kondenzát musí vycházet z velmi zředěného plynu složeného z fermionových nebo bosonických atomů, který je ochlazen takovým způsobem, že všechny jeho částice procházejí do nejnižších kvantových stavů..
Jelikož je to mnohem komplikovanější než získání bosonového kondenzátu, byly tyto typy kondenzátů vytvořeny teprve nedávno..
Fermiony jsou částice nebo konglomeráty částic s polovinou celého otáčení. Elektron, proton a neutron jsou všechny ½ spinové částice..
Jádro helia-3 (dva protony a jeden neutron) se chová jako fermion. Neutrální atom draslíku-40 má 19 protonů + 21 neutronů + 19 elektronů, které se sčítají s lichým číslem 59, takže se chová jako fermion.
Zprostředkující částice interakcí jsou bosony. Z těchto částic můžeme jmenovat následující:
- Fotony (mediátory elektromagnetismu).
- Gluon (mediátory silné jaderné interakce).
- Z a W bosony (mediátory slabé jaderné interakce).
- Graviton (mediátory gravitační interakce).
Mezi složenými bosony jsou následující:
- Jádro deuteria (1 proton a 1 neutron).
- Atom helia-4 (2 protony + 2 neutrony + 2 elektrony).
Kdykoli výsledkem součtu protonů, neutronů a elektronů neutrálního atomu bude celé číslo, bude chování bosonové.
Rok před dosažením fermionového kondenzátu bylo dosaženo tvorby molekul s fermionovými atomy, které tvořily těsně spojené páry, které se chovaly jako bosony. To však není považováno za čistý fermionový kondenzát, ale spíše se podobá bosonickému kondenzátu.
Ale čeho se podařilo 16. prosince 2003 týmem Deborah Jin, Markusem Greinerem a Cindy Regal z laboratoře JILA v Boulderu v Coloradu, bylo vytvoření kondenzátu párů jednotlivých fermionových atomů v plynu..
V tomto případě dvojice atomů netvoří molekulu, ale pohybují se společně korelovaným způsobem. Jako celek tedy dvojice fermionových atomů působí jako boson, a proto bylo dosaženo jejich kondenzace..
K dosažení této kondenzace tým JILA vycházel z plynu s 40 atomy draslíku (což jsou fermiony), který byl uvězněn v optické pasti při 300 nanokelvinech..
Plyn byl poté vystaven oscilačnímu magnetickému poli, aby změnil odpudivou interakci mezi atomy a přeměnil ji na atraktivní interakci prostřednictvím fenoménu známého jako „Fesbachova rezonance“..
Správné nastavení parametrů magnetického pole umožňuje, aby atomy místo molekul tvořily Cooperovy páry. Poté pokračuje v chlazení, aby se dosáhlo fermionického kondenzátu.
Technologie vyvinutá k dosažení fermionových kondenzátů, ve kterých jsou atomy prakticky manipulovány téměř individuálně, umožní mimo jiné vývoj kvantového výpočtu..
Rovněž zlepší pochopení jevů, jako je supravodivost a supratekutost, což umožní nové materiály se speciálními vlastnostmi. Kromě toho bylo objeveno, že mezi superfluiditou molekul a konvenčním je mezilehlý bod vytvořením Cooperových párů.
Manipulace s ultracold atomy nám umožní pochopit rozdíl mezi těmito dvěma způsoby výroby superfluidů, což jistě povede k vývoji vysokoteplotní supravodivosti.
Ve skutečnosti dnes existují supravodiče, které, i když nepracují při pokojové teplotě, fungují při teplotách kapalného dusíku, což je relativně levné a snadno dostupné..
Rozšířením konceptu fermionových kondenzátů nad atomové plyny fermionu lze nalézt četné příklady, kde fermiony společně zabírají nízkoenergetické kvantové hladiny..
První, jak již bylo řečeno, jsou elektrony v supravodiči. Jedná se o fermiony, které se spojují ve dvojicích tak, aby při nízkých teplotách zabíraly nejnižší kvantové hladiny, vykazovaly kolektivní bosonické chování a snižovaly viskozitu a odolnost na nulu..
Dalším příkladem fermionického shlukování ve stavech s nízkou energií jsou kvarkové kondenzáty. Atom helia-3 je také fermion, ale při nízkých teplotách vytváří Cooperovy páry dvou atomů, které se chovají jako bosony a vykazují nadbytečné chování..
Zatím žádné komentáře