ФЕРМИОНСКИ КОНДЕНЗАТ: СВОЈСТВА, ПРИМЕНЕ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Ферми кондензат је, у строгом смислу, врло разблаженим гас сачињен од фермиониц атома који су подвргава температури близу апсолутне нуле. На тај начин и под погодним условима прелазе у супер течну фазу, формирајући ново стање агрегације материје.

Први фермионски кондензат је добијен 16. децембра 2003. године у Сједињеним Државама, захваљујући тиму физичара са разних универзитета и институција. У експерименту је коришћено око 500 хиљада атома калијума, подвргнуто променљивом магнетном пољу и температури од 5 к 10 ^-8 Келвина.

Суперпреводни магнет. Извор: пикабаи

Та се температура сматра близу апсолутне нуле и знатно је нижа од температуре интергалактичког простора, која износи око 3 Келвина. Апсолутна нула температуре подразумева се 0 Келвина, што је еквивалентно -273,15 степени Целзијуса. Дакле, 3 Келвина одговара -270,15 степени Целзијуса.

Неки научници сматрају да је фермионски кондензат сексуално стање материје. Прва четири стања су свима најпознатија: чврста, течна, гасна и плазма.

Раније је добивено пето стање материје када се постигао кондензат бозонских атома. Овај први кондензат је створен 1995. године из веома разблаженог гаса рубидијума-87 охлађеног на 17 к 10 ^-8 Келвина.

Важност ниских температура

Атоми се понашају врло различито на температурама близу апсолутне нуле, у зависности од вредности њиховог својственог момента угла или центрифуге.

Ово дели честице и атоме у две категорије:

- бозони, они који су цели спинови (1, 2, 3,…).

- Фермиони, они са полу-целим спиновима (1/2, 3/2, 5/2,…).

Бозони немају никаква ограничења у смислу да два или више њих могу имати исто квантно стање.

С друге стране, фермиони испуњавају Паулијев принцип искључења: два или више фермиона не могу заузети исто квантно стање, или другим речима: може постојати само један фермион по квантном стању.

Ова фундаментална разлика између бозона и фермиона отежава добијање фермионских кондензата од бозонских.

Да би фермиони заузели све ниже квантне нивое, потребно је да се претходно поравнају у паровима, да би формирали такозване "Цоопер парове" који имају бозонично понашање.

Историја, темељи и својства

Још давне 1911. године, када је Хеике Камерлингх Оннес проучавао отпорност живе на високим температурама користећи течни хелијум као расхладно средство, установио је да је достизање температуре од 4,2 К (-268,9 целзијуса) отпор нагло опао на нулу. .

Први суперпроводник пронађен је на неочекиван начин.

Не знајући за то, ХК Оннес је успео да стави електроне проводљивости на најнижи квантни ниво, што у принципу није могуће јер су електрони фермиони.

Постигнуто је да су електрони прешли у фазу супер течности унутар метала, али пошто имају електрично наелектрисање, они изазивају ток електричног набоја са нултом вискозитетом, а самим тим и нула електричног отпора.

Сам ХК Оннес у Леиден-у, Холандија открио је да је хелијум који је користио као расхладно средство постао сувишан када је достигнута температура од 2,2 К (-270,9 Целзијуса).

Несвесно, ХК Оннес је први пут успео да споји атоме хелијума помоћу којих је охлађивао живу на њиховом најнижем квантном нивоу. У пролазу је такође схватио да када је температура била испод одређене критичне температуре, хелијум је прешао у суперфлуидну фазу (нулта вискозност).

Теорија суперпроводљивости

Хелијум-4 је бозон и понаша се као такав, због чега је било могуће прећи из нормалне течне у суперфлуидну фазу.

Међутим, ниједно од њих се не сматра фермионским или бозонским кондензатом. У случају суправодљивости, фермиони су, попут електрона, били у кристалној решетки живе; а у случају суперфлуидног хелијума прешао је из течне у суперфлуидну фазу.

Теоријско објашњење суперпроводљивости је касније. То је позната теорија БЦС развијена 1957. године.

Теорија каже да електрони у интеракцији са кристалном решетком формирају парове који уместо да се одбијају, привлаче једни друге формирајући „Цоопер парове“ који делују као бозони. На овај начин, електрони у целини могу да заузму квантна стања енергије са најмањом енергијом, све док је температура довољно ниска.

Како произвести фермионски кондензат?

Легитимни фермион или бозонски кондензат морају почети од веома разблаженог гаса састављеног од фермионских или бозонских атома, који се хлади тако да све његове честице пређу у најнижа квантна стања.

Пошто је ово много сложеније од добијања бозовог кондензата, ове врсте кондензата су тек недавно створене.

Фермиони су честице или конгломерати честица са половином целог спина. Електрони, протони и неутрони су све ½ честице честица.

Језгро хелијума-3 (два протона и један неутрон) понаша се попут фермиона. Неутрални атом калијума-40 има 19 протона + 21 неутрона + 19 електрона, који сабирају непарни број 59, па се понаша као фермион.

Честице посредника

Посредујуће честице интеракције су бозони. Међу тим честицама можемо именовати следеће:

- Фотони (посредници електромагнетизма).

- Глуон (посредници јаке нуклеарне интеракције).

- Бозони З и В (посредници слабе нуклеарне интеракције).

- Гравитон (посредници гравитационе интеракције).

Сложени бозони

Међу сложеним бозонима су следећи:

- Деутеријум језгро (1 протона и 1 неутрон).

- атом хелијума-4 (2 протона + 2 неутрона + 2 електрона).

Кад год зброј протона, неутрона и електрона неутралног атома резултира целим бројем, понашање ће бити бозон.

Како је добијен фермионски кондензат

Годину дана пре постизања фермионског кондензата постигнуто је стварање молекула са фермионским атомима који су формирали чврсто повезане парове који су се понашали попут бозона. Међутим, ово се не сматра чистим фермионским кондензатом, већ подсећа на бозонски кондензат.

Али оно што је постигло 16. децембра 2003. године од стране тима Деборах Јин, Маркуса Греинер-а и Цинди Регал из лабораторија ЈИЛА у граду Боулдер, у држави Колорадо, било је формирање кондензата из парова појединачних фермионских атома у гасу.

У овом случају пар атома не формира молекулу, већ се крећу заједно на корелирани начин. Тако у целини пар фермионских атома делује као бозон, чиме је постигнута њихова кондензација.

Да би постигли ову кондензацију, ЈИЛА тим је започео са гасом са калијум-40 атома (који су фермиони), који је био затворен у оптичку замку на 300 нанокелвина.

Гас је тада подвргнут осцилирајућем магнетном пољу да измени одбојну интеракцију између атома и претвори га у привлачно, кроз феномен познат као "Фесбацхова резонанца".

Прилагођавање параметара магнетног поља омогућава атомима да формирају Цоопер парове уместо молекула. Затим наставља да се хлади да би се добио фермионски кондензат.

Апликације и примери

Технологија развијена за постизање фермионских кондензата, у којима се атомима готово појединачно управља, омогућиће развој квантног рачунања, између осталих технологија.

Такође ће побољшати разумевање појава као што су суправодљивост и сувишна течност, омогућавајући нове материјале са посебним својствима. Надаље, откривено је да постоји интермедијарна тачка између вишка течности молекула и конвенционалне путем формирања Цоопер парова.

Манипулација ултрахладних атома омогућит ће нам да схватимо разлику између ова два начина стварања сувишних течности, што ће засигурно резултирати развојем супертемпективности на високим температурама.

У ствари, данас постоје суперпроводници који, иако не раде на собној температури, раде на температурама течног азота, што је релативно јефтино и лако добити.

Проширивши концепт фермионских кондензата изван атомских фермионских гасова, могу се пронаћи бројни примери где фермиони колективно заузимају квантне нивое ниске енергије.

Први као што је већ речено јесу електрони у супер-проводнику. То су фермиони који се поравнавају у паровима и заузимају најниже квантне нивое на ниским температурама, показују колективно бозонско понашање и смањују вискозност и отпорност на нулу.

Други пример фермионског групирања у стању с ниском енергијом су кваркови кондензати. Такође атом хелијума-3 је фермион, али при ниским температурама формира Цоопер-ове парове од два атома који се понашају као бозони и показују супертечно понашање.

Референце

1. К Горал и К Бурнетт. Фермиониц први за кондензате. Опоравило од: пхисицсворлд.цом
2. М Граинер, Ц Регал, Д Јин. Ферми кондензати. Преузето са: усерс.пхисицс.харвард.еду
3. П Родгерс и Б Думе. Фермионс кондензат дебитује. Опоравило од: пхисицсворлд.цом.
4. Викиванд. Фермионски кондензат. Опоравак са Викиванд.цом
5. Викиванд. Фермионски кондензат. Опоравак са Викиванд.цом