Fermionische condensaatseigenschappen, toepassingen en voorbeelden

A Fermi condensaat Het is, in de strengste zin, een zeer verdund gas gevormd door fermionische atomen die een temperatuur hebben ondergaan dicht bij absolute nul. Op deze manier, en onder adequate omstandigheden, gaan ze naar een overbodige fase en vormen ze een nieuwe staat van aggregatie van materie.

Het eerste fermionische condensaat werd verkregen op 16 december 2003 in de Verenigde Staten, dankzij een team van fysici van verschillende universiteiten en instellingen. Het experiment gebruikte ongeveer 500 duizend atomen van kalium-40 onder een variabel magnetisch veld en bij een temperatuur van 5 x 10^-8 Kelvin.

Supergeleidingsmagneet. Bron: Pixabay

Deze temperatuur wordt in de buurt van de absolute nul beschouwd en is veel lager dan de temperatuur van de intergalactische ruimte, die ongeveer 3 kelvin is. Absolute temperatuur nul wordt begrepen als 0 kelvin wordt bereikt gelijk aan -273,15 graden Celsius. Dan komt 3 kelvin overeen met -270,15 graden Celsius.

Sommige wetenschappers zijn van mening dat het fermionische condensaat de seksuele status van materie is. De eerste vier staten zijn meer bekend bij iedereen: vaste, vloeistof, gas en plasma.

Eerder was een vijfde toestand van materie verkregen toen een condensaat van bosonische atomen werd bereikt. Dit eerste condensaat werd in 1995 gemaakt van een zeer verdund gas van Rubidio-87 gekoeld tot 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Het belang van lage temperaturen

Atomen gedragen zich heel anders dan temperaturen dicht bij absolute nul, afhankelijk van de waarde van zijn intrinsieke hoekmomentum of spin.

Dit verdeelt deeltjes en atomen in twee categorieën:

- De bosonen, die degenen zijn die een hele draai hebben (1, 2, 3, ...).

- Fermions, die degenen zijn die een semi -firing spin hebben (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosonen hebben geen beperking, in die zin dat twee of meer van hen dezelfde kwantumstaat kunnen bezetten.

Aan de andere kant vervullen de Fermions het uitsluitingsprincipe van Pauli: twee of meer fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand bezetten, of met andere woorden: er kan alleen een fermion door kwantumstaat zijn.

Dit fundamentele verschil tussen bosonen en fermionen maakt fermionisch condensaat.

Om fermionen te laten bezetten van alle laagste kwantumniveaus, is het noodzakelijk dat ze eerder in paren worden uitgelijnd om de oproepen te vormen "Cooper's paren"Ze hebben een bosonisch gedrag.

Kan u van dienst zijn: Darcy Law

Geschiedenis, stichtingen en eigenschappen

In 1911, toen Heike Kamerlingh Onnes de weerstand van de kwik bestudeerde die zich aan zeer lage temperaturen onderwond met behulp van vloeibaar helium als koelmiddel, ontdekte hij dat bij het bereiken van de temperatuur van 4,2 K (-268,9 Celsius) de weerstand abrupt naar nul viel.

De eerste supergeleider was op een niet -geplande manier gevonden.

Zonder het te weten, h.K. Onnes was erin geslaagd om rijelektronen allemaal op het laagste kwantumniveau te plaatsen, een feit dat in principe niet mogelijk is omdat elektronen fermionen zijn.

Elektronen waren bereikt in de overbodige fase in het metaal, maar omdat ze elektrische lading hebben, veroorzaken ze een elektrische ladingsstroom met nulviscositeit en bijgevolg nul elektrische weerstand.

Dezelfde h.K. Onnes in Leiden had Holland ontdekt dat het helium dat hij als koelmiddel gebruikte naar overbodige toestand ging toen de temperatuur van 2,2 K (-270,9 Celsius) werd bereikt.

Zonder het te weten, h.K. Onnes was er voor het eerst in geslaagd om samen op zijn lagere kwantumniveau te plaatsen aan de heliumatomen waarmee hij koelde naar Mercurius. Trouwens, hij realiseerde zich ook dat wanneer de temperatuur onder een bepaalde kritieke temperatuur lag, het helium doorging naar de overbodige fase (nulviscositeit).

Supergeleidingstheorie

Helio-4 is een boson en gedraagt ​​zich als zodanig, dus het was mogelijk om van de normale vloeibare fase naar de overbodige fase te gaan.

Geen van deze wordt echter beschouwd als een fermionisch of bosonisch condensaat. In het geval van supergeleiding bevonden fermionen zoals elektronen zich binnen het kristallijne netwerk van kwik; En in het geval van het overbodige helium was het van de vloeibare fase naar de overbodige fase gegaan.

De theoretische verklaring van de supergeleiding kwam later. Het is de goed bekende BCS -theorie ontwikkeld in 1957.

De theorie stelt dat elektronen interageren met het kristallijne netwerkvormende paren die in plaats van ze te herhalen. Op deze manier kunnen elektronen als geheel de kwantumstaten van lagere energie bezetten, zolang de temperatuur laag genoeg is.

Hoe een fermionen te produceren condensaat?

Een legitiem condensaat van fermionen of bosonen moet beginnen met een zeer verdund gas dat bestaat uit fermionische of bosonische atomen, dat zo afkoelt dat hun deeltjes allemaal doorgaan naar de laagste kwantumstaten.

Kan u dienen: Barrada -spiraalvormige sterrenstelsel: vorming, evolutie, kenmerken

Omdat dit veel ingewikkelder is dan het krijgen van een bosons condensaat, is het pas recent wanneer dit soort condensaat is gemaakt.

Fermionen zijn deeltjes of conglomeraten van deeltjes met totale semi -alero spin. Het elektron, proton en neutron zijn allemaal deeltjes met spin ½.

Helio-3-kern (twee protonen en één neutron) gedraagt ​​zich als een fermion. Het neutrale atoom van de kalium-40 heeft 19 protonen + 21 neutronen + 19 elektronen, die het oneven nummer 59 oplopen, dus het gedraagt ​​zich als een fermion.

Mederende deeltjes

De bemiddelende deeltjes van de interacties zijn bosonen. Onder deze deeltjes kunnen we het volgende noemen:

- Fotonen (elektromagnetisme mediatoren).

- Gluon (bemiddelaars van sterke nucleaire interactie).

- Bosonen Z en W (zwakke nucleaire interactiemediatoren).

- Gravitón (bemiddelaars van zwaartekrachtinteractie).

Samengestelde bosonen

Onder de samengestelde bosonen zijn de volgende:

- Deuterium -kern (1 proton en 1 neutron).

- Helio-4 atoom (2 protonen + 2 neutronen + 2 elektronen).

Op voorwaarde dat de som van protonen, neutronen en elektronen van een neutraal atoom in een geheel getal bevindt, zal het gedrag Bosón zijn.

Hoe een fermionisch condensaat werd verkregen

Een jaar voordat ze fermionen condensaat bereikten, waren de vorming van moleculen met fermionische atomen die sterk gekoppelde paren vormden die zich gedroegen als bosonen zijn bereikt. Dit wordt echter niet beschouwd als een puur fermionisch condensaat, maar lijkt eerder op een bosonisch condensaat.

Maar wat werd bereikt op 16 december 2003 door het team bestaande uit Deborah Jin, Markus Greiner en Cindy Regal van het Jila -laboratorium in Boulder, Colorado, was de vorming van een condensaat van paren van individuele fermionatomen in een gas in een gas.

In dit geval vormen het paar atomen geen molecuul, maar ze bewegen samen op een gecorreleerde manier. Aldus werkt het paar fermionische atomen samen als een boson, vandaar dat de condensatie ervan is bereikt.

Om deze condensatie te bereiken, begon het Jila-team van een gas met kalium-40 (die fermionen zijn) atomen, die in een optische val was opgesloten tot 300 nanokelvin.

Kan u van dienst zijn: wat is dynamisch evenwicht? (Met voorbeeld)

Vervolgens werd het gas onderworpen aan een oscillerend magnetisch veld om de afstotende interactie tussen atomen te veranderen en er een aantrekkelijke interactie van te maken, door een fenomeen dat bekend staat als "Fesbach Resonance".

Het correct aanpassen van de magnetische veldparameters wordt bereikt dat de vormatomen van cooper in plaats van moleculen in plaats van moleculen. Dan blijft het afkoelen om het fermionische condensaat te bereiken.

Toepassingen en voorbeelden

De technologie die is ontwikkeld om het fermionische condensaat te bereiken, waarbij atomen praktisch bijna individueel worden gemanipuleerd, zal de ontwikkeling van kwantum computing mogelijk maken, onder andere technologieën.

Het zal ook het begrip van fenomenen verbeteren, zoals supergeleiding en overbodigheid die nieuwe materialen met speciale eigenschappen mogelijk maakt. Er is ook ontdekt dat er een tussenliggend punt is tussen de overbodigheid van de moleculen en de conventionele door de vorming van Cooper's paren.

De manipulatie van ultrafriosatomen zal ons in staat stellen het verschil te begrijpen tussen deze twee manieren om overbodig te produceren, wat zeker zal leiden tot de ontwikkeling van supergeleiding met hoge temperatuur.

In feite zijn er vandaag supergeleiders dat hoewel ze niet bij kamertemperatuur werken, ze wel werken bij vloeibare stikstoftemperaturen, die relatief goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen is.

Door het concept van fermionisch condensaat uit te breiden voorbij de atoomgassen van fermionen, kunnen talloze voorbeelden worden gevonden waarin fermionen gezamenlijk kwantumniveaus van lage energie bezetten.

De eerste zoals reeds gezegd zijn elektronen in een supergeleider. Dit zijn fermionen die in paren zijn uitgelijnd om de laagste kwantumspiegels bij lage temperaturen te bezetten, die collectief bosonisch gedrag vertonen en viscositeit en weerstand tegen nul vermindert.

Een ander voorbeeld van een fermionische groep in staten met lage energie zijn quarks condensaat. Ook is het Helio-3-atoom een ​​fermion, maar bij lage temperaturen vormen van coöperatie van twee atomen die zich als bosonen gedragen en overbodig gedrag vertonen.

Referenties

1. K Goral en K Burnett. Fermionic First voor condensaten. Hersteld van: fysicaworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensates. Hersteld van: gebruikers.Natuurkunde.Harvard.Edu
3. P Rodgers en B Dumé. Ferms condensaat maakt zijn debuut. Hersteld van: fysicaworld.com.
4. Wikiwand. Fermionisch condensaat. Wikiwand herstelde.com
5. Wikiwand. Fermionisch condensaat. Wikiwand herstelde.com