Fermijev kondenzat: kaj je, kako nastane in zgodovina odkritja

Fermijev kondenzat: kaj je, kako nastane in zgodovina odkritja - razlaga stanja snovi, eksperimentalna tvorba z ohlajanjem kalija-40 in odkritje Deborah Jin (2003).

Kaj je fermijev kondenzat

Fermionski kondenzat ali fermijev kondenzat je stanje snovi (pogosto superfluidna faza), ki je po nekaterih lastnostih zelo podobno Bose-Einsteinovemu kondenzatu. V obeh primerih velika skupina atomov zasede isto kvantno stanje, kar vodi do makroskopskih kvantnih pojavov, kot je superfluidnost. Bozoni, ki sledijo Bose–Einsteinovi statistiki, se lahko neposredno združijo v kondenzat; fermioni, ki sledijo Fermi–Diracovi statistiki, pa zaradi Paulijevega izključitvenega principa ne morejo zasedati istega kvantnega stanja, če so enaki.

Glavna razlika od Bose-Einsteinovega kondenzata

Glavna razlika izvira iz statistike delcev: bozoni se "družijo" in lahko neposredno tvorijo Bose-Einsteinov kondenzat, medtem ko so fermioni po naravi “antisocialni” — enaki fermioni ne morejo zasedati enakega stanja. Zato fermijev kondenzat običajno nastane šele, ko se fermioni povežejo v pare (na primer v molekule ali v Cooperjeve pare), ki so potem učinkovito boseve narave in se lahko kondenzirajo. Takšno združevanje je treba vzpodbuditi z medsebojnimi privlačnimi silami — v ultrahladnih plinih se to pogosto naredi z nastavljivimi interakcijami (npr. prek Feshbachove resonance).

Kako nastane fermijev kondenzat

• Najprej se uporablja kombinacija laserskega hlajenja in izparilnega hlajenja za dosego ekstremno nizkih temperatur v območju nano- in mikrokelvinov nad absolutno ničlo.
• Atomi fermionskih izotopov (npr. kalij-40) se ujamejo v magnetnih ali optičnih pastih.
• Z uporabo Feshbachove resonance (nastavitve zunanjega magnetnega polja) eksperimentalci prilagodijo moč privlačne interakcije med fermioni, da ti tvorijo pare — bodisi tesno vezane molekule ali širše BCS-jičeve pare.
• Ko so pari oblikovani in je temperatura dovolj nizka, pari kondenzirajo v enotno kvantno stanje in sistem pokaže lastnosti superfluidnosti.

Postopek ohlajanja plina v kondenzat se imenuje kondenzacija. V praksi eksperimentalci uporabljajo vrsto natančnih tehnik za nadzor številčnosti, gostote in medsebojnih interakcij, saj je zasnova vsakega eksperimenta občutljiva na te parametre.

Zgodovina odkritja

Fermijev kondenzat v obliki kondenzata povezanih parov atomov je bil prvič eksperimentalno opažen decembra 2003 v skupini Debore Jin. Jin je delala v okviru Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo na Univerzi v Koloradu, kjer je njena ekipa ohladila oblak kalija-40 na izjemno nizke temperature — v območju nano- do mikrokelvinov nad absolutno ničlo (-273,15 °C). Z uporabo magnetno kontroliranih interakcij so dosegli vezavo parov in opazili kondenzacijo teh parov.

Predhodne teoretične raziskave so napovedovale možnost prehoda med BCS-superprevodnostjo in BEC-molekularno kondenzacijo (BCS–BEC prehod), kar je eksperimentalno potrditev teh dolgoletnih napovedi. Odkritje iz leta 2003 je zato pomembno tako za temeljno kvantno fiziko kot za razumevanje povezanih pojavov, kot so superprevodnost in superfluidnost.

Pomen in uporabe

Fermijevi kondenzati so danes pomemben modelni sistem za raziskave kvantne fizike: omogočajo preučevanje BCS–BEC prehoda, kvantnih faznih prehodov in fenomenov, povezanih s parjenjem delcev. Zaradi analogij s superprevodnostjo in nanostrukturami so ti sistemi koristni tudi kot laboratoriji za testiranje teorij, ki zadevajo visokoenergijsko fiziko, kondenzno snov in celo astrofiziko (npr. jedra nevtronskih zvezd). Raziskave v tem polju prispevajo k razvoju natančnih meritev, kvantnih simulacij in potencialno novih kvantnih tehnologij.

Ključne točke

• Fermijev kondenzat nastane, ko se fermioni povežejo v pare, ki se nato kondenzirajo.
• Za nastanek parov je pogosto potrebna upravljana privlačnost med atomskimi delci (npr. prek Feshbachove resonance).
• Deborah Jin in njena skupina sta prvo jasno eksperimentalno demonstracijo povedla decembra 2003 z uporabo kalija-40.
• Fermijevi kondenzati povezujejo teme iz osnovne raziskave (kvantna statistika, superfluidnost) z možnimi aplikacijami v kvantnih tehnologijah.

Razlika med fermioni in bozoni

Bosoni in fermioni so subatomski delci (delci snovi, manjši od atoma). Razlika med bozonom in fermionom je v številu elektronov, nevtronov in/ali protonov v atomu. Atom je sestavljen iz bozonov, če ima sodo število elektronov. Atom je sestavljen iz fermionov, če ima liho število elektronov, nevtronov in protonov. Primer bozona je gluon. Primer fermiona je kalij-40, ki ga je Deborah Jin uporabil kot plinski oblak. Bozoni lahko tvorijo skupke in se med seboj privlačijo, medtem ko fermioni ne tvorijo skupkov. Fermione običajno najdemo v ravnih nizih, saj se med seboj odbijajo. Fermioni namreč upoštevajo Paulijevo izključitveno načelo, ki pravi, da se ne morejo zbrati v istem kvantnem stanju.

To je standardni model elementarnih delcev, ki ga običajno imenujemo samo standardni model.

Superprevodnost in fermionski kondenzati

Drug povezan pojav je superprevodnost. Pri superprevodnosti lahko parni elektroni tečejo z viskoznostjo 0. Za superprevodnost je kar nekaj zanimanja, saj je lahko cenejši in čistejši vir električne energije. Uporabila bi se lahko tudi za pogon levitirajočih vlakov in avtomobilov na zračni blazini.

Vendar se to lahko zgodi le, če znanstveniki ustvarijo ali odkrijejo materiale, ki so superprevodniki pri sobni temperaturi. Pravzaprav bo Nobelova nagrada podeljena tistemu, ki mu bo uspelo izdelati superprevodnik pri sobni temperaturi. Trenutno je težava v tem, da morajo znanstveniki delati s superprevodniki pri temperaturi okoli -135 °C. To vključuje uporabo tekočega dušika in drugih metod za doseganje izjemno nizkih temperatur. To je seveda naporno delo, zato znanstveniki raje uporabljajo superprevodnike pri sobni temperaturi. Ekipa gospe Jin meni, da bi zamenjava parnih elektronov s parnimi fermioni omogočila nastanek superprevodnika pri sobni temperaturi.

Superprevodnost. To je Meissnerjev učinek.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je fermionski kondenzat?

V: Kako se fermi kondenzati razlikujejo od Bose-Einsteinovih kondenzatov?

V: Ali se Fermijevi kondenzati lahko pojavijo v naravi?

V: Kdo je ustvaril prvi fermijev kondenzat?

V: Pri kakšni temperaturi je bil ustvarjen prvi fermijev kondenzat?

V: Kako se imenuje postopek ohlajanja plina v kondenzat?

V: Ali so tudi supertekočine Bose-Einsteinovi kondenzati?

Išči po črki