FERMIONICKÝ KONDENZÁT: VLASTNOSTI, APLIKACE A PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Fermiho kondenzátu je, v užším smyslu, velmi zředěný plyn skládá z fermionic atomů, které byly vystaveny teplotě blízko absolutní nule. Tímto způsobem a za vhodných podmínek přecházejí do superfluidní fáze a vytvářejí nový stav agregace hmoty.

První fermionický kondenzát byl získán 16. prosince 2003 ve Spojených státech díky týmu fyziků z různých univerzit a institucí. Experiment použil asi 500 tisíc atomů draslíku-40 vystavených proměnlivému magnetickému poli a teplotě 5 x ^10-8 Kelvinů.

Supravodivý magnet. Zdroj: pixabay

Tato teplota je považována za téměř absolutní nulu a je výrazně nižší než teplota mezigalaktického prostoru, což je asi 3 Kelvin. Absolutní nulou teploty se rozumí 0 Kelvinů, což odpovídá -273,15 stupňů Celsia. Takže 3 Kelvin odpovídá -270,15 stupňů Celsia.

Někteří vědci považují fermionický kondenzát za sexuální stav hmoty. První čtyři státy jsou pro všechny nejznámější: pevná látka, kapalina, plyn a plazma.

Dříve byl získán pátý stav hmoty, když bylo dosaženo kondenzátu bosonových atomů. Tento první kondenzát byl vytvořen v roce 1995 z velmi zředěného plynu rubidium-87 chlazeného na 17 x ^10-8 Kelvinů.

Význam nízkých teplot

Atomy se chovají velmi odlišně při teplotách blízkých absolutní nule, v závislosti na hodnotě jejich vlastní hybnosti nebo rotace.

Toto rozdělí částice a atomy do dvou kategorií:

- bosony, což jsou ty s celočíselnou rotací (1, 2, 3,…).

- Fermiony, což jsou ty, které mají poločíselné rotace (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bosoni nemají žádná omezení v tom smyslu, že dva nebo více z nich mohou zaujímat stejný kvantový stav.

Na druhé straně fermiony splňují Pauliho vylučovací zásadu: dvě nebo více fermionů nemůže obsáhnout stejný kvantový stav, jinými slovy: na kvantový stav může být pouze jeden fermion.

Tento zásadní rozdíl mezi bosony a fermiony znesnadňuje získání fermionických kondenzátů než bosonických.

Aby fermiony obsloužily všechny nižší kvantové úrovně, je nutné, aby se dříve zarovnaly v párech, aby vytvořily takzvané „Cooperovy páry“, které mají bosonové chování.

Historie, základy a vlastnosti

V roce 1911, když Heike Kamerlingh Onnes studoval odpor rtuti vystavené velmi nízkým teplotám pomocí kapalného helia jako chladiva, zjistil, že při dosažení teploty 4,2 K (-268,9 Celsia) odpor prudce klesl na nulu..

První supravodič byl nalezen nečekaným způsobem.

Aniž by to věděl, HK Onnes dokázal dát vodivé elektrony dohromady na nejnižší kvantové úrovni, což je fakt, že v zásadě není možné, protože elektrony jsou fermiony.

Bylo dosaženo, že elektrony prošly do superfluidní fáze uvnitř kovu, ale protože mají elektrický náboj, způsobují tok elektrického náboje s nulovou viskozitou a následně nulovým elektrickým odporem.

HK Onnes sám v Leidenu v Nizozemsku zjistil, že helium, které používal jako chladivo, se stalo superfluidním, když bylo dosaženo teploty 2,2 K (-270,9 ° C).

Nevědomě se HK Onnes poprvé podařilo spojit atomy helia, kterými ochladil rtuť na nejnižší kvantovou úroveň. Při průchodu si také uvědomil, že když byla teplota pod určitou kritickou teplotou, hélium prošlo do superfluidní fáze (nulová viskozita).

Teorie supravodivosti

Helium-4 je boson a chová se jako takový, proto bylo možné přejít z normální kapalné fáze do superfluidní fáze.

Nic z toho se však nepovažuje za fermionický nebo bosonický kondenzát. V případě supravodivosti byly fermiony, stejně jako elektrony, v krystalové mřížce rtuti; a v případě superfluidního helia prošlo z kapalné fáze do superfluidní fáze.

Teoretické vysvětlení supravodivosti přišlo později. Je to dobře známá teorie BCS vyvinutá v roce 1957.

Teorie uvádí, že elektrony interagují s páry krystalové mřížky, které se navzájem odpuzují, přitahují jeden druhého a vytvářejí „Cooperovy páry“, které fungují jako bosony. Tímto způsobem mohou elektrony jako celek zabírat kvantové stavy s nejnižší energií, pokud je teplota dostatečně nízká.

Jak vyrobit kondenzát fermionu?

Legitimní fermion nebo bosonový kondenzát musí začínat z velmi zředěného plynu tvořeného fermionickými nebo bosonovými atomy, který je ochlazován tak, že všechny jeho částice přejdou do nejnižšího kvantového stavu.

Protože je to mnohem komplikovanější než získání kondenzátu bosonu, tyto typy kondenzátů byly vytvořeny teprve nedávno.

Fermiony jsou částice nebo konglomeráty částic s polovinou celé rotace. Elektron, proton a neutron jsou částice spinu.

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 přidávají k lichému číslu 59, takže se chová jako fermion.

Částice mediátoru

Zprostředkující částice interakcí jsou bosony. Mezi tyto částice můžeme jmenovat následující:

- Fotony (mediátory elektromagnetismu).

- Gluon (zprostředkovatelé silné jaderné interakce).

- Bosony Z a W (zprostředkovatelé slabé jaderné interakce).

- Graviton (zprostředkovatelé gravitační interakce).

Složené bosony

Mezi složené bosony patří:

- Deuteriové jádro (1 proton a 1 neutron).

- atom helia-4 (2 protony + 2 neutrony + 2 elektrony).

Kdykoli součet protonů, neutronů a elektronů neutrálního atomu vyústí v celé číslo, bude chování boson.

Jak byl získán fermionický kondenzát

Rok před dosažením kondenzátu fermionu bylo dosaženo tvorby molekul s fermionickými atomy, které tvořily pevně spárované páry, které se chovaly jako bosony. To se však nepovažuje za čistý fermionický kondenzát, nýbrž spíše jako bosonický kondenzát.

Ale to, co bylo dosaženo 16. prosince 2003 týmem Deborah Jin, Markus Greiner a Cindy Regal z laboratoře JILA v Boulderu v Coloradu, bylo vytvoření kondenzátu párů jednotlivých fermionických atomů v plynu.

V tomto případě pár atomů netvoří molekulu, ale pohybuje se spolu korelovaným způsobem. Celkově tedy pár fermionických atomů působí jako boson, a proto bylo dosaženo jejich kondenzace.

K dosažení této kondenzace začal tým JILA z plynu s atomy draslíku-40 (což jsou fermiony), který byl uzavřen v optické pasti na 300 nanokelvinů.

Plyn byl poté podroben oscilačnímu magnetickému poli, aby změnil odpudivou interakci mezi atomy a změnil je na atraktivní, prostřednictvím jevu známého jako „Fesbachova rezonance“.

Správné nastavení parametrů magnetického pole umožňuje atomům tvořit Cooperovy páry místo molekul. Poté pokračuje v chlazení, aby se získal fermionický kondenzát.

Aplikace a příklady

Technologie vyvinutá k dosažení fermionických kondenzátů, se kterými jsou atomy prakticky manipulovány téměř individuálně, umožní mimo jiné vývoj kvantového zpracování.

Zlepší také porozumění jevům, jako je supravodivost a superfluidita, což umožní nové materiály se zvláštními vlastnostmi. Kromě toho bylo objeveno, že mezi superfluiditou molekul a konvenční existuje mezilehlý vznik Cooperových párů.

Manipulace s ultracold atomy nám umožní pochopit rozdíl mezi těmito dvěma způsoby výroby superfluids, což bude mít jistě za následek vývoj supravodivosti za vysokých teplot.

Ve skutečnosti dnes existují supravodiče, které sice nepracují při pokojové teplotě, ale pracují při teplotách kapalného dusíku, což je relativně levné a snadno dostupné.

Rozšíření pojmu fermionické kondenzáty za atomové fermionové plyny lze nalézt četné příklady, kde fermiony kolektivně zaujímají nízkoenergetické kvantové úrovně.

První, jak již bylo řečeno, jsou elektrony v supravodiči. Jedná se o fermiony, které se ve dvojicích vyrovnávají tak, aby obsazovaly nejnižší kvantové hladiny při nízkých teplotách, vykazovaly kolektivní chování podobné bosonům a snižovaly viskozitu a odpor vůči nule.

Dalším příkladem fermionického seskupení ve stavech s nízkou energií jsou kvarkové kondenzáty. Také atom helia-3 je fermion, ale při nízkých teplotách tvoří Cooperovy páry dvou atomů, které se chovají jako bosony a projevují superfluidní chování.

Reference

1. K Goral a K Burnett. Fermionický první pro kondenzáty. Obnoveno z: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Kondenzáty Fermi. Citováno z: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers a B Dumé. Fermion kondenzát dělá svůj debut. Obnoveno z: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Obnoveno z Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Obnoveno z Wikiwand.com