Fermionische Kondensateigenschaften, Anwendungen und Beispiele

A Fermi -Kondensat Es ist im strengsten Sinne ein sehr verdünntes Gas, das von fermionischen Atomen gebildet wird, die eine Temperatur nahe an absoluter Null unterzogen wurden. Auf diese Weise und unter angemessenen Bedingungen gehen sie in eine überflüssige Phase und bilden einen neuen Zustand der Aggregation der Materie.

Das erste fermionische Kondensat wurde am 16. Dezember 2003 in den USA dank eines Physikerteams aus mehreren Universitäten und Institutionen erhalten. Das Experiment verwendete etwa 500.000 Atome Kalium-40 unter einem variablen Magnetfeld und bei einer Temperatur von 5 x 10^-8 Kelvin.

Superkonferenzmagnet. Quelle: Pixabay

Diese Temperatur wird nahe an der absoluten Null betrachtet und ist viel niedriger als die Temperatur des intergalaktischen Raums, der ungefähr 3 Kelvin beträgt. Die Absolute Temperatur Null wird verstanden, wenn 0 Kelvin äquivalent zu -273,15 Grad Celsius erreicht ist. Dann entspricht 3 Kelvin -270,15 Grad Celsius.

Einige Wissenschaftler sind der Ansicht, dass das fermionische Kondensat der Sexualstatus der Materie ist. Die ersten vier Zustände sind allen besser bekannt: Feststoff, Flüssigkeit, Gas und Plasma.

Zuvor war ein fünfter Materiezustand erhalten worden, als ein Kondensat bosonischer Atome erreicht wurde. Dieses erste Kondensat wurde 1995 aus einem sehr verdünnten Gas von Rubidio-87 erstellt, das auf 17 x 10 gekühlt wurde^-8 Kelvin.

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Die Bedeutung niedriger Temperaturen

Atome verhalten sich sehr unterschiedlich für Temperaturen nahe am absoluten Null.

Dies unterteilt Partikel und Atome in zwei Kategorien:

- Die Bosonen, die diejenigen sind, die einen ganzen Dreh haben (1, 2, 3, ...).

- Fermionen, die eine halbfeuere Spin haben (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosonen haben keine Einschränkung in dem Sinne, dass zwei oder mehr von ihnen den gleichen Quantenzustand besetzen können.

Andererseits erfüllen die Fermionen das Ausschlussprinzip von Pauli: Zwei oder mehr Fermionen können nicht denselben Quantenzustand oder mit anderen Worten: Es kann nur ein Fermion nach Quantenzustand geben.

Dieser grundlegende Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen macht fermionisches Kondensat.

Damit Fermions alle niedrigsten Quantenniveaus einnimmt, ist es notwendig, dass sie sich zuvor paarweise ausrichten, um die Anrufe zu bilden. "Coopers Paare"Sie haben bosonisches Verhalten.

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Geschichte, Grundlagen und Eigenschaften

Bereits 1911, als Heike Kamerlingh Onnes den Widerstand des Quecksilbers untersuchte.

Der erste Superkonferenz wurde auf nicht planierte Weise gefunden.

Ohne es zu wissen, h.K. Onnes hatte es geschafft, die Fahrtelektronen auf dem niedrigsten Quantenebene zusammenzustellen, eine Tatsache, dass im Prinzip nicht möglich ist, weil Elektronen Fermionen sind.

Die überflüssige Phase im Metall wurden Elektronen erreicht, aber da sie elektrische Ladung haben, verursachen sie einen elektrischen Ladungsstrom mit Nullviskosität und folglich nicht elektrischer Widerstand von Null.

Das gleiche h.K. Onnes in Leiden, Holland hatte festgestellt, dass das Helium, das er als Kältemittel benutzte.

Ohne es zu wissen, h.K. Onnes hatte es zum ersten Mal geschafft, zusammen auf seinem unteren Quantenniveau zu den Heliumatomen zusammenzubringen, mit denen er sich auf Quecksilber kühlte. Er wurde übrigens auch festgestellt, dass das Helium, wenn die Temperatur unter einer bestimmten kritischen Temperatur lag, an die überflüssige Phase überging (Nullviskosität).

Superkongressivitätstheorie

Helio-4 ist ein Boson und verhält sich als solches, daher war es möglich, sich von der normalen flüssigen Phase zur überflüssigen Phase zu bewegen.

Nichts davon gilt jedoch als fermionisches oder bosonisches Kondensat. Im Fall von Superkonformität befanden sich Fermionen wie Elektronen im kristallinen Netzwerk von Quecksilber; Und im Fall des überflüssigen Heliums war es von der flüssigen Phase zur überflüssigen Phase verlaufen.

Die theoretische Erklärung der Supraleitung kam später. Es ist die gut bekannte BCS -Theorie, die 1957 entwickelt wurde.

Die Theorie besagt, dass Elektronen mit den kristallinen Netzwerkpaaren interagieren, die sie anstatt sie zu wiederholen. Auf diese Weise können Elektronen als Ganzes die Quantenzustände niedrigerer Energie besetzen, solange die Temperatur niedrig genug ist.

Wie man ein Fermionen Kondensat produziert?

Ein legitimes Kondensat von Fermionen oder Bosonen muss von einem sehr verdünnten Gas aus fermionischen oder bosonischen Atomen ausgehen, das so abkühlt, dass ihre Partikel alle auf die niedrigsten Quantenzustände verlaufen.

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Da dies viel komplizierter ist als ein Bosonen -Kondensat zu bekommen, wurde es erst kürzlich, wenn diese Arten von Kondensat erstellt wurden.

Fermionen sind Partikel oder Konglomerate von Partikeln mit totalem Semi -Alero -Spin. Das Elektron, das Proton und das Neutron sind alle Partikel mit Spin ½.

Helio-3-Kern (zwei Protonen und ein Neutron) verhält sich wie ein Fermion. Das neutrale Atom des Kalium-40 verfügt.

Partikel vermitteln

Die Vermittlungspartikel der Wechselwirkungen sind Bosonen. Unter diesen Partikeln können wir Folgendes nennen:

- Photonen (Elektromagnetismusmediatoren).

- Gluon (Mediatoren starker Kernwechselwirkung).

- Bosons Z und W (schwache Kernwechselwirkungsmediatoren).

- Gravitón (Mediatoren der Gravitationswechselwirkung).

Zusammengesetzte Bosonen

Unter den zusammengesetzten Bosonen befinden sich die folgenden:

- Deuterium -Kern (1 Proton und 1 Neutron).

- Helio-4-Atom (2 Protonen + 2 Neutronen + 2 Elektronen).

Vorausgesetzt, dass die Summe von Protonen, Neutronen und Elektronen eines neutralen Atoms in einer Ganzzahl ist. Das Verhalten wird Bosón sein.

Wie ein fermionisches Kondensat erhalten wurde

Ein Jahr vor Erreichen von Fermionenkondensat wurde die Bildung von Molekülen mit fermionischen Atomen, die stark gekoppelte Paare bildeten, die sich wie Bosonen benahm, erreicht worden. Dies wird jedoch nicht als reines fermionisches Kondensat angesehen, sondern ähnelt eher einem bosonischen Kondensat.

Aber was am 16. Dezember 2003 vom Team aus Deborah Jin, Markus Greiner und Cindy Regal vom Jila Laboratory in Boulder, Colorado, erreicht wurde.

In diesem Fall bilden das Atomepaar kein Molekül, aber sie bewegen sich korreliert zusammen. So wirkt zusammen das Paar fermionischer Atome als Boson, weshalb seine Kondensation erreicht wurde.

Um diese Kondensation zu erreichen, startete das Jila-Team mit einem Gas mit Kalium-40-Atomen (die Fermionen sind), die in einer optischen Falle auf 300 Nanokelvin eingesperrt waren.

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Dann wurde das Gas einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt, um die abstoßende Wechselwirkung zwischen Atomen zu verändern und sie in eine attraktive Wechselwirkung zu verwandeln, durch ein Phänomen, das als "Fesbach -Resonanz" bekannt ist, in eine attraktive Wechselwirkung verwandelt.

Wenn Sie die Magnetfeldparameter richtig einstellen. Dann kühlt es weiter, um das fermionische Kondensat zu erreichen.

Anwendungen und Beispiele

Die Technologie, die entwickelt wurde, um das fermionische Kondensat zu erreichen, in dem Atome praktisch fast einzeln manipuliert werden, wird unter anderem die Entwicklung von Quantum Computing ermöglichen.

Es wird auch das Verständnis von Phänomenen wie Supraleitung und Überflüssigkeit verbessern, die neue Materialien mit besonderen Eigenschaften ermöglichen. Es wurde auch festgestellt.

Die Manipulation von Ultrafrios -Atomen ermöglicht es uns, den Unterschied zwischen diesen beiden Arten der Erzeugung überflüssig zu verstehen, was sicherlich zur Entwicklung einer Hochtemperatur -Superkontrolle führen wird.

Tatsächlich gibt es heute Supraleiter, die zwar nicht bei Raumtemperatur arbeiten, aber bei flüssigen Stickstofftemperaturen arbeiten, was relativ billig und leicht zu erhalten ist.

Erweiterung des Konzepts des fermionischen Kondensat über die Atomgase von Fermionen hinaus können zahlreiche Beispiele gefunden werden.

Das erste, wie bereits gesagt, sind Elektronen in einem Superkonferenz. Dies sind Fermionen, die paarweise dazu ausgerichtet sind, bei niedrigen Temperaturen die niedrigsten Quantenwerte zu belegen, das kollektive bosonische Verhalten aufweist und die Viskosität und Resistenz gegen Null verringert.

Ein weiteres Beispiel für eine fermionische Gruppe in niedrigen Staaten sind Quarkskondensat. Auch das Helio-3-Atom ist ein Fermion, aber bei niedrigen Temperaturen von Cooper von zwei Atomen, die sich wie Bosonen verhalten und überflüssiges Verhalten aufweisen.

Verweise

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