Sifat kondensat fermionik, aplikasi dan contoh

A Kondensat Fermi Ini, dalam arti yang paling ketat, gas yang sangat encer yang dibentuk oleh atom fermionik yang telah mengalami suhu yang dekat dengan nol absolut. Dengan cara ini, dan dalam kondisi yang memadai, mereka pergi ke fase berlebihan, membentuk keadaan baru agregasi materi.

Kondensat fermionik pertama diperoleh pada 16 Desember 2003 di Amerika Serikat, berkat tim fisikawan dari beberapa universitas dan institusi. Percobaan ini menggunakan sekitar 500 ribu atom kalium-40 di bawah medan magnet variabel dan pada suhu 5 x 10^-8 Kelvin.

Magnet superkonduktor. Sumber: Pixabay

Suhu ini dianggap dekat dengan nol absolut dan jauh lebih rendah dari suhu ruang intergalaksi, yaitu sekitar 3 Kelvin. Suhu absolut nol dipahami sebagai 0 Kelvin tercapai setara dengan -273,15 derajat Celcius. Kemudian 3 Kelvin sesuai dengan -270.15 derajat Celcius.

Beberapa ilmuwan menganggap bahwa kondensat fermionik adalah status jenis kelamin materi. Empat negara bagian pertama lebih akrab dengan semua: padat, cair, gas dan plasma.

Sebelumnya, keadaan kelima materi telah diperoleh ketika kondensat atom bosonik tercapai. Kondensat pertama ini dibuat pada tahun 1995 dari gas rubidio-87 yang sangat encer menjadi 17 x 10^-8 Kelvin.

[TOC]

Pentingnya suhu rendah

Atom berperilaku sangat berbeda dengan suhu yang dekat dengan nol absolut, tergantung pada nilai momentum atau putaran intrinsiknya.

Ini membagi partikel dan atom menjadi dua kategori:

- The Bosons, yang adalah orang -orang yang memiliki putaran keseluruhan (1, 2, 3, ...).

- Fermions, yang memiliki putaran semi -firing (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Boson tidak memiliki batasan, dalam arti bahwa dua atau lebih dari mereka dapat menempati keadaan kuantum yang sama.

Di sisi lain, Fermions memenuhi prinsip pengecualian Pauli: dua atau lebih fermion tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama, atau dengan kata lain: hanya ada fermion dengan keadaan kuantum.

Perbedaan mendasar antara Boson dan Fermions ini membuat kondensat fermionik.

Agar fermion menempati semua level kuantum terendah, perlu mereka sejajar dengan pasangan, untuk membentuk panggilan "Pasangan Cooper"Mereka memiliki perilaku bosonik.

Dapat melayani Anda: Darcy Law

Sejarah, Yayasan dan Properti

Kembali pada tahun 1911, ketika Heike Kamerlingh Onnes mempelajari resistensi merkuri yang diserahkan pada suhu yang sangat rendah menggunakan helium cair sebagai refrigeran, ia menemukan bahwa ketika mencapai suhu 4,2 K (-268,9 Celcius) Resistance turun tiba-tiba menjadi nol ke nol ke nol ke nol tiba-tiba menjadi nol ke nol ke nol tiba-tiba menjadi nol ke nol ke nol tiba-tiba ke nol ke nol ke nol.

Superkonduktor pertama telah ditemukan dengan cara yang tidak direncanakan.

Tanpa menyadarinya, h.K. Onnes telah berhasil menempatkan elektron mengemudi secara bersamaan pada tingkat kuantum terendah, sebuah fakta bahwa pada prinsipnya tidak dimungkinkan karena elektron adalah fermion.

Elektron telah dicapai pada fase berlebihan di dalam logam, tetapi karena mereka memiliki muatan listrik, mereka menyebabkan aliran muatan listrik dengan nol viskositas dan akibatnya nol resistensi listrik.

H yang sama.K. Onnes di Leiden, Holland telah menemukan bahwa helium yang ia gunakan sebagai refrigeran pergi ke keadaan berlebihan ketika suhu 2,2 K (-270,9 Celcius) tercapai.

Tanpa menyadarinya, h.K. Onnes telah berhasil untuk pertama kalinya untuk ditempatkan bersama di tingkat kuantumnya yang lebih rendah ke atom helium yang dengannya dia mendinginkan ke merkuri. Ngomong -ngomong dia juga menyadari bahwa ketika suhu di bawah suhu kritis tertentu, helium melewati fase berlebihan (viskositas nol).

Teori superkonduktivitas

Helio-4 adalah boson dan berperilaku seperti itu, jadi dimungkinkan untuk bergerak dari fase cair normal ke fase berlebihan.

Namun, tidak ada yang dianggap sebagai kondensat fermionik atau bosonik. Dalam kasus superkonduktivitas, fermion seperti elektron berada di dalam jaringan kristal merkuri; Dan dalam kasus helium berlebihan, itu telah berubah dari fase cair ke fase berlebihan.

Penjelasan teoretis tentang superkonduktivitas datang kemudian. Ini adalah teori BCS yang diketahui dengan baik yang dikembangkan pada tahun 1957.

Teori menyatakan bahwa elektron berinteraksi dengan jaringan yang membentuk jaringan kristal yang alih -alih mengulanginya. Dengan cara ini elektron secara keseluruhan, dapat menempati keadaan kuantum energi yang lebih rendah, selama suhunya cukup rendah.

Cara menghasilkan kondensat fermions?

Kondensat fermion atau boson yang sah harus mulai dari gas yang sangat encer yang terdiri dari atom fermionik atau bosonik, yang mendingin sedemikian rupa sehingga semua partikel mereka lewat ke keadaan kuantum terendah.

Dapat melayani Anda: galaksi spiral barrada: pembentukan, evolusi, karakteristik

Karena ini jauh lebih rumit daripada mendapatkan kondensat Boson, baru -baru ini ketika jenis kondensat ini telah dibuat.

Fermion adalah partikel atau konglomerat partikel dengan total spin semi -alalero. Elektron, proton, dan neutron adalah semua partikel dengan putaran ½.

Helio-3 Core (dua proton dan satu neutron) berperilaku seperti fermion. Atom netral dari kalium-40 memiliki 19 proton + 21 neutron + 19 elektron, yang menambah angka ganjil 59, jadi berperilaku sebagai fermion.

Memediasi partikel

Partikel mediasi interaksi adalah boson. Di antara partikel -partikel ini kita dapat menyebutkan yang berikut:

- Foton (mediator elektromagnetisme).

- Gluon (mediator interaksi nuklir yang kuat).

- Bosons Z dan W (Mediator Interaksi Nuklir Lemah).

- Gravitón (mediator interaksi gravitasi).

Boson majemuk

Di antara boson senyawa adalah sebagai berikut:

- Deuterium Nucleus (1 Proton dan 1 Neutron).

- Atom helio-4 (2 proton + 2 neutron + 2 elektron).

Asalkan jumlah proton, neutron, dan elektron atom netral berada di bilangan bulat perilaku akan menjadi bosón.

Bagaimana kondensat fermionik diperoleh

Setahun sebelum mencapai fermion kondensat, pembentukan molekul dengan atom fermionik yang membentuk pasangan yang sangat digabungkan yang berperilaku seperti boson telah tercapai. Namun, ini tidak dianggap sebagai kondensat fermionik murni, melainkan menyerupai kondensat bosonik.

Tetapi apa yang dicapai pada 16 Desember 2003 oleh tim yang terdiri dari Deborah Jin, Markus Greiner dan Cindy Regal dari Laboratorium Jila di Boulder, Colorado, adalah pembentukan kondensat atom fermionik individu dengan gas dengan gas.

Dalam hal ini, sepasang atom tidak membentuk molekul, tetapi mereka bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Dengan demikian, bersama -sama pasangan atom fermionik bertindak sebagai boson, karenanya kondensasinya telah tercapai.

Untuk mencapai kondensasi ini, tim Jila mulai dari gas dengan atom kalium-40 (yang merupakan fermion), yang dikurung dalam perangkap optik hingga 300 nanokelvin.

Dapat melayani Anda: apa itu keseimbangan dinamis? (Dengan contoh)

Kemudian gas mengalami medan magnet berosilasi untuk mengubah interaksi menjijikkan antara atom dan mengubahnya menjadi interaksi yang menarik, melalui fenomena yang dikenal sebagai "resonansi fesbach".

Menyesuaikan parameter medan magnet dengan benar dicapai bahwa bentuk atom Cooper alih -alih molekul alih -alih molekul. Kemudian terus dingin untuk mencapai kondensat fermionik.

Aplikasi dan contoh

Teknologi yang dikembangkan untuk mencapai kondensat fermionik, di mana atom secara praktis dimanipulasi hampir secara individual, akan memungkinkan pengembangan komputasi kuantum, di antara teknologi lainnya.

Ini juga akan meningkatkan pemahaman fenomena seperti superkonduktivitas dan berlebihan yang memungkinkan bahan baru dengan sifat khusus. Juga telah ditemukan bahwa ada titik perantara antara berlebihan molekul dan yang konvensional melalui pembentukan pasangan Cooper.

Manipulasi atom ultrafrios akan memungkinkan kita untuk memahami perbedaan antara dua cara untuk menghasilkan berlebihan, yang pasti akan menghasilkan pengembangan superkonduktivitas suhu tinggi.

Faktanya, hari ini ada superkonduktor yang meskipun mereka tidak bekerja pada suhu kamar, mereka bekerja pada suhu nitrogen cair, yang relatif murah dan mudah diperoleh.

Memperluas konsep kondensat fermionik di luar gas atom fermion, banyak contoh dapat ditemukan di mana fermion secara kolektif menempati kadar kuantum energi rendah.

Yang pertama seperti yang telah dikatakan adalah elektron dalam superkonduktor. Ini adalah fermion yang selaras berpasangan untuk menempati kadar kuantum terendah pada suhu rendah, menunjukkan perilaku bosonik kolektif dan mengurangi viskositas dan resistensi terhadap nol.

Contoh lain dari kelompok fermionik di negara bagian rendah adalah quark kondensat. Juga atom helio-3 adalah fermion, tetapi pada suhu rendah bentuk cooper dua atom yang berperilaku seperti boson dan menunjukkan perilaku berlebihan.

Referensi

1. K Goral dan K Burnett. Fermionik pertama untuk kondensasi. Pulih dari: fisika dunia.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Kondensat Fermi. Dipulihkan dari: pengguna.Fisika.Harvard.Edu
3. P rodgers dan b dume. Ferms kondensat melakukan debutnya. Pulih dari: fisika dunia.com.
4. Wikiwand. Kondensat fermionik. Wikiwand pulih.com
5. Wikiwand. Kondensat fermionik. Wikiwand pulih.com