Fermioniset kondensaatin ominaisuudet, sovellukset ja esimerkit

Eräs Fermi -kondensaatti Se on tiukimmassa merkityksessä hyvin laimennettu kaasu, jonka muodostuu fermionisten atomien, jotka ovat käyneet läpi lämpötilan lähellä absoluuttista nollaa. Tällä tavalla ja riittävässä olosuhteessa he menevät tarpeettomaan vaiheeseen muodostaen uuden aineen aggregaatiotilan.

Ensimmäinen fermioninen kondensaatti saatiin 16. joulukuuta 2003 Yhdysvalloissa useiden yliopistojen ja instituutioiden fyysikoiden ryhmän ansiosta. Kokeessa käytettiin noin 500 tuhatta kalium-40-atomia muuttuvan magneettikentän alla ja lämpötilassa 5 x 10^-8 Kelvin.

Suprajohde. Lähde: Pixabay

Tätä lämpötilaa pidetään lähellä absoluuttista nollaa ja on paljon alhaisempi kuin galaktien välisen tilan lämpötila, joka on noin 3 Kelviniä. Absoluuttinen lämpötila nolla ymmärretään, koska 0 Kelvin on saavutettu vastaavasti -273,15 Celsiusastetta. Sitten 3 Kelvin vastaa -270,15 astetta Celsius.

Jotkut tutkijat katsovat, että fermioninen kondensaatti on aineen sukupuolen asema. Neljä ensimmäistä osavaltiota ovat kaikille tutumpia: kiinteä, neste, kaasu ja plasma.

Aikaisemmin viides ainetila oli saatu, kun bosonic -atomien kondensaatti saavutettiin. Tämä ensimmäinen kondensaatti luotiin vuonna 1995 erittäin laimennetusta Rubidio-87-kaasusta, joka oli jäähdytetty 17 x 10: een^-8 Kelvin.

[TOC]

Matalan lämpötilan merkitys

Atomit käyttäytyvät hyvin eri tavalla kuin lämpötilat lähellä absoluuttista nollaa, sen luontaisen kulman vauhdin tai spinin arvosta riippuen.

Tämä jakaa hiukkaset ja atomit kahteen luokkaan:

- Bosonit, joilla on koko spin (1, 2, 3, ...).

- Fermionit, joilla on puoliksi palkkiva spin (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bosoneilla ei ole rajoituksia siinä mielessä, että kaksi tai useampi heistä voi käyttää samaa kvanttitilaa.

Toisaalta fermionit täyttävät Paulin syrjäytymisperiaatteen: kaksi tai useampia fermioita ei voi käyttää samaa kvanttitilaa tai toisin sanoen: Fermionia voi olla vain kvanttitilan avulla.

Tämä perusero bosonien ja fermionien välillä tekee fermionisesta kondensaatista.

Jotta fermionit voivat käyttää kaikki alhaisimmat kvanttitasot, on välttämätöntä, että ne ovat aiemmin kohdistuneet pareittain, muodostamaan puhelut "Cooperin parit"Heillä on bosoninen käyttäytyminen.

Voi palvella sinua: Darcy Law

Historia, säätiöt ja ominaisuudet

Vuonna 1911, kun Heike Kamerlingh Ones tutki elohopean vastustuskykyä erittäin matalille lämpötiloihin käyttämällä nestemäistä heliumia kylmäaineena, hän havaitsi, että saavutettaessa lämpötilaa 4,2 K (-268,9 celsius), resistenssi laski äkillisesti nollaan.

Ensimmäinen suprajohde oli löydetty suunniteltuun tavalla.

Tietämättä sitä, h.K -k -. Onnes oli onnistunut sijoittamaan ajoelektronit kaikki yhdessä alimmalla kvanttitasolla, tosiasia, että periaatteessa ei ole mahdollista, koska elektronit ovat fermioita.

Elektronit oli saavutettu tarpeetonta vaihetta metallin sisällä, mutta koska niillä on sähkövaraus, ne aiheuttavat sähkövarausvirtauksen nolla viskositeetti ja siten nolla sähkövastus.

Sama h.K -k -. Onnes Leidenissä Holland oli havainnut, että kylmäaineena käyttämä helium meni tarpeettomaan tilaan, kun lämpötila 2,2 K (-270,9 Celsius) saavutettiin.

Tietämättä sitä, h.K -k -. Onnes oli onnistunut ensimmäistä kertaa sijoittamaan yhdessä alemmalla kvantitasollaan heliumiatomeihin, joiden kanssa hän jäähtyi elohopeaan. Muuten hän huomasi myös, että kun lämpötila oli tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, helium siirtyi tarpeelliseen vaiheeseen (nolla viskositeetti).

Suprajohtavuusteoria

Helio-4 on bosoni ja käyttäytyy sellaisenaan, joten oli mahdollista siirtyä normaalista nestefaasista tarpeettomaan vaiheeseen.

Mitään näistä ei kuitenkaan pidetä fermionisena tai bosonic -kondensaattina. Suprajohtavuuden tapauksessa fermionit, kuten elektronit, olivat elohopean kiteisen verkon sisällä; Ja tarpeeton heliumin tapauksessa se oli siirtynyt nestefaasista tarpeettomaan vaiheeseen.

Suprajohtavuuden teoreettinen selitys tuli myöhemmin. Se on hyvin tunnettu BCS -teoria, joka on kehitetty vuonna 1957.

Teorian mukaan elektronit ovat vuorovaikutuksessa kiteisen verkon muodostaen parien kanssa, jotka sen sijaan. Tällä tavalla elektronit kokonaisuutena voivat miehittää alemman energian kvantitilat, kunhan lämpötila on riittävän alhainen.

Kuinka tuottaa fermionsilauta?

Fermionien tai bosonien laillisen kondensaatin on aloitettava hyvin laimennettuun kaasusta, joka koostuu fermionisista tai bosonisista atomeista, jotka jäähtyvät siten, että kaikki niiden hiukkaset kulkevat pienimpiin kvanttitiloihin.

Voi palvella sinua: Barrada Spiral Galaxy: muodostuminen, kehitys, ominaisuudet

Koska tämä on paljon monimutkaisempaa kuin bosonien kondensaatin saaminen, vasta äskettäin, kun tämäntyyppiset kondensaatti on luotu.

Fermionit ovat hiukkasten hiukkasia tai ryhmittymiä. Elektroni, protoni ja neutroni ovat kaikki hiukkasia, joilla on spin ½.

Helio-3-ydin (kaksi protonia ja yksi neutroni) käyttäytyy kuin fermion. Kalium-40: n neutraalilla atomilla on 19 protonia + 21 neutronia + 19 elektronia, jotka lisäävät parittoman numeron 59, joten se käyttäytyy fermionina.

Välittää hiukkasia

Vuorovaikutusten välittäjät ovat bosoneja. Näistä hiukkasista voimme nimetä seuraavat:

- Fotonit (sähkömagneettisuuden välittäjät).

- Gluon (vahvan ydinvuorovaikutuksen välittäjät).

- Bosons Z ja W (heikko ydinvuorovaikutusvälineet).

- Gravitón (gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjät).

Bosonit

Yhdisteiden joukossa ovat seuraavat:

- Deuterium -ydin (1 protoni ja 1 neutroni).

- Helio-4-atomi (2 protonia + 2 neutronia + 2 elektronia).

Edellyttäen, että neutraalin atomin protonien, neutronien ja elektronien summa on kokonaisluku, käyttäytyminen on Bosón.

Kuinka fermioninen kondensaatti saatiin

Vuotta ennen fermionien kondensaatin saavuttamista, fermionisten atomien kanssa muodostuneet molekyylit, jotka muodostivat voimakkaasti kytkettyjä pareja, jotka käyttäytyivät kuin bosonit, oli saavutettu. Tätä ei kuitenkaan pidetä puhtaan fermionisen kondensaattina, vaan se muistuttaa pikemminkin bosonic -kondensaattia.

Mutta se, mitä saavutti 16. joulukuuta 2003 Deborah Jinistä, Markus Greinerista ja Cindy Regalista Jilan laboratoriosta Boulderissa, Coloradossa, oli muodostumassa kaasun kaasun yksilöllisten fermionisten atomien parien kondensaatin muodostuminen kaasussa kaasussa.

Tässä tapauksessa atomien pari ei muodosta molekyyliä, vaan ne liikkuvat yhdessä korreloivalla tavalla. Siten fermionisten atomien pari toimii yhdessä bosonina, joten sen tiivistyminen on saavutettu.

Tämän tiivistymisen saavuttamiseksi Jila-tiimi aloitti kaasulla, jolla on kalium-40 (jotka ovat fermionit) atomeja, jotka rajoitettiin optisessa ansaan 300 nanokelviniin.

Voi palvella sinua: mikä on dynaaminen tasapaino? (Esimerkki)

Sitten kaasu altistettiin värähtelevälle magneettikentälle atomien välisen vuorovaikutuksen muuttamiseksi ja sen muuttamiseksi houkuttelevaksi vuorovaikutukseksi, joka tunnetaan nimellä "Fesbachin resonanssi", joka tunnetaan nimellä "Fesbachin resonanssi".

Magneettikentän parametrien säätäminen oikein on saavutettu, että Cooperin muodostot molekyylien sijasta molekyylien sijasta. Sitten se jäähtyy edelleen fermionisen kondensaatin saavuttamiseksi.

Sovellukset ja esimerkit

Fermionisen kondensaatin saavuttamiseksi kehitetty tekniikka, jossa atomeja käytännössä manipuloidaan melkein yksilöllisesti, mahdollistaa kvanttilaskennan kehittymisen muun muassa tekniikoilla.

Se parantaa myös ilmiöiden, kuten suprajohtavuutta ja tarpeetonta, ymmärrystä sallii uusia materiaaleja, joilla on erityisominaisuudet. On myös havaittu, että molekyylien tarpeettomuuden ja tavanomaisen välillä on välipiste Cooperin parien muodostumisen kautta.

Ultrafrios -atomien manipulointi antaa meille mahdollisuuden ymmärtää eron näiden kahden tarpeetonta tuotantotavan välillä, mikä varmasti johtaa korkean lämpötilan suprajohtavuuden kehittymiseen.

Itse asiassa nykyään on suprajohteita, jotka eivät toimi huoneenlämpötilassa, ne toimivat nestemäisissä typen lämpötiloissa, mikä on suhteellisen halpaa ja helppoa saada.

Fermionisen kondensaatin käsitteen laajentaminen fermionien atomikaasujen ulkopuolella, löytyy lukuisia esimerkkejä, joissa fermionit yhdessä miehittävät alhaisen energian kvanttitasot.

Ensimmäinen, kuten jo sanottiin, ovat suprajohdon elektroneja. Nämä ovat fermioneja, jotka on kohdistettu pareittain miehittämään alhaisimmat kvanttitasot alhaisissa lämpötiloissa, joilla on kollektiivinen bosoninen käyttäytyminen ja vähentämällä viskositeettia ja nollakestävyyttä.

Toinen esimerkki fermionisesta ryhmästä alhaisissa energiatiloissa on kvarksin kondensaatti. Myös Helio-3-atomi on fermion, mutta matalissa lämpötiloissa kahden atomin Cooper-muodossa, jotka käyttäytyvät kuten Bosons ja joilla on tarpeeton käyttäytyminen.

Viitteet

1. K Goral ja K Burnett. Fermioninen ensin kondensaatioille. Toipunut: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi -kondensaatiot. Palautettu: Käyttäjät.Fysiikka.Harvard.Edu
3. P Rodgers ja B Dumé. Ferms Condensate debytoi. Toipunut: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermioninen kondensaatti. Wikiwand toipui.com
5. Wikiwand. Fermioninen kondensaatti. Wikiwand toipui.com