Vlastnosti, aplikácie a príklady fermionického kondenzátu

A Kondenzát Fermi Je to v najprísnejšom zmysle veľmi zriedený plyn tvorený fermionickými atómami, ktoré prešli teplotou blízko absolútneho nuly. Týmto spôsobom a za primeraných podmienok idú do nadbytočnej fázy a vytvárajú nový stav agregácie hmoty.

Prvý fermionický kondenzát bol získaný 16. decembra 2003 v Spojených štátoch vďaka tímu fyzikov z niekoľkých univerzít a inštitúcií. Experiment použil asi 500 tisíc atómov draslíka-40 za premenlivého magnetického poľa a pri teplote 5 x 10^-8 Kelvin.

Supravodičový magnet. Zdroj: Pixabay

Táto teplota sa považuje za blízko absolútnej nule a je oveľa nižšia ako teplota medzigalaktického priestoru, čo je približne 3 kelvin. Absolútna nula teploty sa chápe, že 0 Kelvin je dosiahnutý rovnocenný s -273,15 stupňov Celzia. Potom 3 Kelvin zodpovedá -270,15 stupňov Celzia.

Niektorí vedci sa domnievajú, že fermionický kondenzát je sexuálnym stavom hmoty. Prvé štyri štáty sú známe všetkým: pevná, tekutina, plyn a plazma.

Predtým sa získal piaty stav hmoty, keď sa dosiahol kondenzát bosonických atómov. Tento prvý kondenzát bol vytvorený v roku 1995 z veľmi zriedeného plynu Rubidio-87 ochladeného na 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Dôležitosť nízkych teplôt

Atómy sa správajú veľmi odlišne ako teploty blízko absolútneho nuly, v závislosti od hodnoty jeho vnútornej uhlovej hybnosti alebo rotácie.

To rozdeľuje častice a atómy do dvoch kategórií:

- Bosoni, ktorí sú tí, ktorí majú celé točenie (1, 2, 3, ...).

- Fermions, ktoré sú tie, ktoré majú polopriepustné rotácie (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Bozóny nemajú žiadne obmedzenia v tom zmysle, že dvaja alebo viac z nich môžu zaberať rovnaký kvantový stav.

Na druhej strane Fermions spĺňa princíp vylúčenia Pauliho: Dva alebo viac fermónov nemôžu zaberať rovnaký kvantový stav alebo inými slovami: môže existovať iba fermion podľa kvantového stavu.

Tento zásadný rozdiel medzi bosónmi a fermionmi vytvára fermionický kondenzát.

Aby Fermions obsadil všetky najnižšie kvantové úrovne, je potrebné, aby sa predtým zarovnali v pároch, aby vytvorili hovory “Cooperove páry„Majú bosonické správanie.

Môže vám slúžiť: Darcy Law

História, základy a vlastnosti

V roku 1911, keď Heike Kamerlingh Onnes študoval odpor ortuti podrobenú veľmi nízkym teplotám pomocou kvapalného hélia ako chladiva, zistil, že pri dosiahnutí teploty 4,2 K (-268,9 Celzia) odpor.

Prvý supravodič bol nájdený neplánovaným spôsobom.

Bez toho, aby som to vedel, h.Klimatizovať. Onnesovi sa podarilo umiestniť jazdné elektróny spolu na najnižšiu kvantovú úroveň, skutočnosť, že v zásade nie je možné, pretože elektróny sú fermions.

Elektróny sa dosiahli do nadbytočnej fázy vo vnútri kovu, ale keďže majú elektrický náboj, spôsobujú prietok elektrického náboja s nulovou viskozitou a následne nulový elektrický odpor.

To isté h.Klimatizovať. Onnes v Leiden, Holland zistil, že hélium, ktoré používal ako chladivo, išiel do nadbytočného stavu, keď bola dosiahnutá teplota 2,2 K (-270,9 Celzia).

Bez toho, aby som to vedel, h.Klimatizovať. Onnesovi sa podarilo prvýkrát umiestniť spolu na svoju nižšiu kvantovú úroveň k atómom hélia, s ktorými sa ochladil na ortuť. Mimochodom, tiež si uvedomil, že keď bola teplota pod určitou kritickou teplotou, hélium prešlo do nadbytočnej fázy (nulová viskozita).

Teória supravodivosti

Helio-4 je bozón a správa sa ako taký, takže bolo možné presunúť sa z normálnej kvapalnej fázy do nadbytočnej fázy.

Žiadny z nich sa však nepovažuje za fermionický alebo bosonický kondenzát. V prípade supravodivosti boli fermóny, ako sú elektróny, vo vnútri kryštalickej siete ortuti; A v prípade zbytočného hélia prešlo z kvapalnej fázy do nadbytočnej fázy.

Teoretické vysvetlenie supravodivosti prišlo neskôr. Je to dobre známa teória BCS vyvinutá v roku 1957.

Teória uvádza, že elektróny interagujú s pármi tvoriacimi kryštalickú sieť, ktorá ich namiesto ich opakovania. Týmto spôsobom elektróny ako celok môžu zaberať kvantové stavy nižšej energie, pokiaľ je teplota dostatočne nízka.

Ako vyrobiť kondenzát Fermions?

Legitímny kondenzát fermionov alebo bozónov musí začať od veľmi zriedeného plynu zložený z fermionických alebo bosonických atómov, ktorý sa ochladzuje takým spôsobom, že všetky častice prechádzajú do najnižších kvantových stavov.

Môže vám slúžiť: Barrada Spiral Galaxy: Formation, Evolution, Charakteristika

Pretože je to oveľa komplikovanejšie ako získanie kondenzátu Bosons, je to len nedávno, keď sa vytvorili tieto typy kondenzátu.

Fermions sú častice alebo konglomeráty častíc s celkovým semi -allero rotáciou. Elektrón, protón a neutrón sú všetky častice s rotáciou ½.

Helio-3 jadro (dva protóny a jeden neutrón) sa správa ako fermion. Neutrálny atóm draslíka-40 má 19 protónov + 21 neutrónov + 19 elektrónov, ktoré sa zvyšujú k nepárne číslo 59, takže sa správa ako fermion.

Sprostredkujúce častice

Sprostredkovateľské častice interakcií sú bozóny. Medzi týmito časticami môžeme pomenovať nasledujúce:

- Fotóny (mediátory elektromagnetizmu).

- Gluon (mediátory silnej jadrovej interakcie).

- Bosons Z a W (slabé mediátory jadrovej interakcie).

- Gravitón (mediátory gravitačnej interakcie).

Zložené bozóny

Medzi zložené bozóny patria:

- Deutérium jadro (1 protón a 1 neutrón).

- Atóm Helio-4 (2 protóny + 2 neutróny + 2 elektróny).

Za predpokladu, že súčet protónov, neutrónov a elektrónov neutrálneho atómu je v celej sieti, že správanie bude bosón.

Ako sa získal fermionický kondenzát

Rok pred dosiahnutím kondenzátu Fermions, tvorba molekúl s fermionickými atómami, ktoré tvorili silne spojené páry, ktoré sa správali ako bozóny. Toto sa však nepovažuje za čistý fermionický kondenzát, ale skôr pripomína bosonický kondenzát.

Čo však dosiahlo 16. decembra 2003 tím, ktorý tvoril Deborah Jin, Markus Greiner a Cindy Regal z laboratória Jila v Boulder v Colorade, bola tvorba kondenzátu párov jednotlivých fermiónových atómov v plyne v plyne v plyne v plyne.

V tomto prípade pár atómov netvorí molekulu, ale korelované sa pohybujú spolu. Tak spolu pár fermionických atómov pôsobí ako bozón, a preto sa dosiahla jeho kondenzácia.

Na dosiahnutie tejto kondenzácie tím JILA začal z plynu s atómami draslíka-40 (ktoré sú fermionmi), ktorý bol obmedzený v optickej pasci na 300 Nanokelvin.

Môže vám slúžiť: čo je dynamická rovnováha? (S príkladom)

Potom bol plyn podrobený oscilujúcim magnetickým poľom na zmenu odpudivej interakcie medzi atómami a premenil ju na atraktívnu interakciu prostredníctvom javu známeho ako „rezonancia Fesbach“.

Správne nastavenie parametrov magnetického poľa sa dosahuje, že forma atómov Cooper namiesto molekúl namiesto molekúl namiesto molekúl. Potom sa naďalej ochladí, aby sa dosiahol fermionický kondenzát.

Aplikácie a príklady

Technológia vyvinutá na dosiahnutie fermionického kondenzátu, v ktorom sú atómy prakticky manipulované takmer individuálne, umožní rozvoj kvantových výpočtov, okrem iných technológií.

Zlepší to tiež porozumenie javov, ako je supravodivosť a nadprirodzenosť, ktorá umožňuje nové materiály so špeciálnymi vlastnosťami. Zistilo sa tiež, že medzi nadpričaním molekúl existuje stredný bod.

Manipulácia s atómami Ultrafrios nám umožní porozumieť rozdielu medzi týmito dvoma spôsobmi produkcie nadbytočného, ​​čo určite bude mať za následok vývoj vysokej teploty supravodivosti.

V skutočnosti dnes existujú supravodivéry, že hoci nefungujú pri izbovej teplote, pracujú pri teplotách tekutého dusíka, čo je relatívne lacné a ľahko sa získavajú.

Rozšírenie koncepcie fermionického kondenzátu za atómovými plynmi fermionov je možné nájsť množstvo príkladov, v ktorých fermions súhrnne zaberajú kvantové hladiny nízkej energie.

Prvým, ako už bolo povedané, sú elektróny v supravodiči. Sú to fermóny, ktoré sú zarovnané v pároch, aby zaberali najnižšie kvantové hladiny pri nízkych teplotách, vykazovali kolektívne bosonické správanie a znižovali viskozitu a odolnosť proti nule.

Ďalším príkladom fermionickej skupiny v nízkoenergetických štátoch je kondenzát kvarkov. Aj atóm Helio-3 je fermion, ale pri nízkych teplotách foriem Cooper dvoch atómov, ktoré sa správajú ako bozóny a vykazujú nadbytočné správanie.

Odkazy

1. K Goral a K Burnett. Fermionic najskôr pre kondenzáty. Obnovené z: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondenzáty. Obnovené z: používateľov.Fyzika.Harvard.Edu
3. P Rodgers a B Dumé. Ferms kondenzát debutuje. Obnovené z: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Wikiwand sa zotavil.com
5. Wikiwand. Fermionický kondenzát. Wikiwand sa zotavil.com