Fermionske lastnosti, aplikacije in primeri kondenzata

A Fermi kondenzat V najstrožjem smislu je zelo razredčen plin, ki ga tvorijo fermionski atomi, ki so bili podvrženi temperaturi blizu absolutne ničle. Na ta način in v ustreznih pogojih gredo v odvečno fazo in tvorijo novo stanje združevanja snovi.

Prvi fermionski kondenzat je bil pridobljen 16. decembra 2003 v ZDA, zahvaljujoč ekipi fizikov več univerz in institucij. V poskusu je bilo v spremenljivem magnetnem polju in pri temperaturi 5 x 10 uporabljalo približno 500 tisoč atomov kalija-40^-8 Kelvin.

Magnet za superprevodnike. Vir: Pixabay

Ta temperatura se šteje za blizu absolutne ničle in je precej nižja od temperature medgalaktičnega prostora, kar je približno 3 Kelvin. Absolutna temperatura nič se razume, saj je 0 Kelvin dosežen enakovredno -273,15 stopinj Celzija. Potem 3 Kelvin ustreza -270,15 stopinj Celzija.

Nekateri znanstveniki menijo, da je fermionski kondenzat spolni status materije. Prve štiri države so bolj znane od vseh: trdne, tekočine, plina in plazme.

Prej je bilo doseženo peto stanje snovi, ko je bil dosežen kondenzat bozonskih atomov. Ta prvi kondenzat je bil ustvarjen leta 1995 iz zelo razredčenega plina Rubidio-87, ohlajen na 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Pomen nizkih temperatur

Atomi se obnašajo zelo drugače kot temperature, ki so blizu absolutne ničle, odvisno od vrednosti njegovega notranjega kotnega zagona ali spin.

To deli delce in atome na dve kategoriji:

- Bozoni, ki so tisti, ki imajo cel spin (1, 2, 3, ...).

- Fermioni, ki so tisti, ki imajo pol ogorčene spin (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bozoni nimajo omejitve, v smislu, da lahko dva ali več zavzemata isto kvantno stanje.

Po drugi strani Fermioni izpolnjujejo načelo izključitve Paulija: Dva ali več fermionov ne moreta zavzeti istega kvantnega stanja ali z drugimi besedami: lahko je fermion le po kvantnem stanju.

Ta temeljna razlika med bozoni in fermioni naredi fermionski kondenzat.

Da bi fermioni zasedli vse najnižje kvantne ravni, je treba prej poravnati v parih, da tvorijo klice. "Cooperjevi pari"Imajo bozansko vedenje.

Vam lahko služi: Darcy Law

Zgodovina, temelji in lastnosti

Leta 1911, ko je Heike Kamerlingh Onnes preučil odpornost živega srebra, ki je bila podvržena zelo nizkim temperaturam z uporabo tekočega helija kot hladilnega sredstva.

Prvi superprevodnik je bil na voljo na ne -načrtovan način.

Ne da bi vedel, h.K. Onnesu je uspelo povezati elektrone na najnižji kvantni ravni, dejstvo, da načeloma ni mogoče, ker so elektroni fermioni.

Elektroni so bili doseženi v odvečni fazi znotraj kovine, vendar ker imajo električni naboj, povzročajo električni pretok z ničelno viskoznostjo in posledično nič električnega upornosti.

Isti h.K. Onnes v Leidenu, Holland je ugotovil, da je helij, ki ga je uporabljal kot hladilno sredstvo.

Ne da bi vedel, h.K. Onnes je prvič uspel postaviti skupaj na nižjo kvantno raven do atomov helija, s katerimi se je ohladil v živo srebro. Mimogrede je tudi spoznal, da je helij, ko je bila temperatura pod določeno kritično temperaturo.

Teorija superprevodnosti

Helio-4 je bozon in se obnaša kot takega, zato se je bilo mogoče premakniti iz običajne tekoče faze v odveč fazo.

Vendar nobena od teh ne velja za fermionski ali bozonski kondenzat. V primeru superprevodnosti so bili fermioni, kot so elektroni, znotraj kristalne mreže živega srebra; In v primeru odveč za helij je prešel iz tekoče faze v odvečno fazo.

Teoretična razlaga superprevodnosti je prišla kasneje. To je dobro znana teorija BCS, razvita leta 1957.

Teorija navaja, da elektroni delujejo s kristalnim omrežjem, ki tvorijo pare, ki namesto da bi jih ponavljali. Na ta način lahko elektroni kot celota zasedejo kvantna stanja manjše energije, dokler je temperatura dovolj nizka.

Kako izdelati kondenzat Fermions?

Legitimni kondenzat fermionov ali bozonov mora začeti iz zelo razredčenega plina, sestavljenega iz fermionskih ali bozonskih atomov, ki se ohladi tako, da njihovi delci prehajajo v najnižja kvantna stanja.

Vam lahko služi: spiralna galaksija Barrada: tvorba, evolucija, značilnosti

Ker je to veliko bolj zapleteno kot pridobivanje kondenzata Bozona, je šele pred kratkim, ko so ustvarjene te vrste kondenzata.

Fermioni so delci ali konglomerati delcev s skupno pol -alerovo. Elektron, proton in nevtroni so vsi delci s spin ½.

Jedro Helio-3 (dva protona in en nevtron) se obnaša kot fermion. Nevtralni atom kalija-40 ima 19 protonov + 21 nevtronov + 19 elektronov, ki seštevajo do neparne številke 59, tako da se obnaša kot fermion.

Posredovanje delcev

Posredovalni delci interakcij so bozoni. Med temi delci lahko poimenujemo naslednje:

- Fotoni (mediatorji elektromagnetizma).

- Gluon (mediatorji močne jedrske interakcije).

- Bosons Z in W (šibki mediatorji jedrske interakcije).

- Gravitón (mediatorji gravitacijske interakcije).

Sestavljeni bozoni

Med sestavljenimi bozoni so naslednje:

- Jedro devterije (1 proton in 1 nevtron).

- Atom Helio-4 (2 protona + 2 nevtrona + 2 elektrona).

Pod pogojem, da je vsota protonov, nevtronov in elektronov nevtralnega atoma v celotnem celotnem vedenju.

Kako je bil dosežen fermionski kondenzat

Leto pred doseganjem fermionskih kondenzata je nastala molekula s fermionskimi atomi, ki so oblikovali močno povezane pare, ki so se obnašali kot bozoni. Vendar to ne velja za čisti fermionski kondenzat, temveč spominja na bozonski kondenzat.

Toda tisto, kar je 16. decembra 2003 dosegla ekipa, ki jo sestavljajo Deborah Jin, Markus Greiner in Cindy Regal iz laboratorija Jila v Boulderju v Koloradu, je bila tvorba kondenzata parov posameznih fermionskih atomov v plinu v plinu.

V tem primeru par atomov ne tvori molekule, ampak se skupaj premikata na koreliran način. Tako skupaj par fermionskih atomov deluje kot bozon, zato je bila dosežena njegova kondenzacija.

Da bi dosegli to kondenzacijo, je ekipa Jila začela iz plina s kalijem-40 (ki so fermioni) atomi, ki so bili omejeni v optični pasti na 300 nanokelvinov.

Vam lahko služi: kaj je dinamično ravnovesje? (S primerom)

Nato smo plin podvrgli nihajočemu magnetnemu polju, da bi spremenili odbojno interakcijo med atomi in ga spremenili v privlačno interakcijo, skozi pojav, znan kot "fesbachova resonanca".

Pravilno prilagajanje parametrov magnetnega polja. Doseženo je, da tvori atomi Cooperja namesto molekul namesto molekul. Potem se še naprej ohladi, da dosežemo fermionski kondenzat.

Aplikacije in primeri

Tehnologija, razvita za doseganje fermionskega kondenzata, v kateri se atomi praktično manipulirajo skoraj posamično, bo med drugimi tehnologijami omogočila razvoj kvantnega računalništva.

Izboljšala bo tudi razumevanje pojavov, kot sta superprevodnost in odvečnost, ki omogočajo nove materiale s posebnimi lastnostmi. Ugotovljeno je bilo tudi, da obstaja vmesna točka med odvečnostjo molekul in konvencionalnim skozi nastanek Cooperjevih parov.

Manipulacija atomov Ultrafrios nam bo omogočila razumevanje razlike med tema dvema načina proizvodnje odveč, kar bo zagotovo povzročilo razvoj visoke temperaturne superprevodnosti.

Pravzaprav danes obstajajo superprevodniki, ki čeprav ne delujejo pri sobni temperaturi, delujejo pri tekočih temperaturah dušika, kar je razmeroma poceni in enostavno pridobiti.

Razširitev koncepta fermionskega kondenzata, ki presega atomske pline fermionov.

Prvi, kot že rečeno, so elektroni v superprevodniku. To so fermioni, ki so v parih poravnani, da zasedejo najnižjo kvantno raven pri nizkih temperaturah, kar kaže na kolektivno bozonsko vedenje in zmanjšuje viskoznost in odpornost na ničlo.

Drug primer fermionske skupine v nizkoenergijskih stanjih je kondenzat kvarkov. Tudi atom Helio-3 je fermion, pri nizkih temperaturah pa oblik Cooperja dveh atomov, ki se obnašajo kot bozoni in kažejo odveč vedenje.

Reference

1. K Goral in K Burnett. Fermionska najprej za kondenzate. Okrevano od: PhysicsWorld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenzate. Obnovi od: Uporabniki.Fizika.Harvard.Edu
3. P rodgers in b dumé. Ferms kondenzat debitira. Okrevano od: PhysicsWorld.com.
4. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Wikiwand si je opomogel.com
5. Wikiwand. Fermionski kondenzat. Wikiwand si je opomogel.com