Фермионный конденсат что это простыми словами
Фермионный конденсат
Фермионный конденсат — шестое состояние вещества (после таких состояний как твёрдое тело, жидкость, газ, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна). Фермионный конденсат был открыт Деборой Джин, Маркусом Греинером и Синди Регал в 2003 году. Для этого они охладили 500 тысяч атомов калия до температуры 5×10 −8 Кельвин в переменном магнитном поле. В этих экспериментах изменяемое со временем магнитное поле было приложено к фермионным атомам, что вынуждало их объединиться в бозонные молекулы. Фермионы имеют полуцелый спин (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.), в то время как у бозонов спин целочисленный (1, 2, 3 и т. д.). Спины двух частиц складываются, поэтому молекула, содержащая два фермионных атома, превращается в бозон. Однако теперь выясняется, что даже если два фермиона и не связаны в одну молекулу, а просто движутся вместе неким коррелированным образом, то эта пара уже может вести себя подобно бозону и подвергаться конденсации. В то же время это наиболее «эфемерная» форма конденсации из всех, которые наблюдались к настоящему времени. При получении сверхнизкой температуры, необходимой для этого эксперимента, было использовано комплексное воздействие на газ при помощи лазерного излучения и магнитного поля. Когда атомы находятся в магнитной ловушке, изменение их температуры может контролироваться с точностью до стомиллиардных долей градуса. Для лазерного охлаждения лучше всего подходят металлы из первой колонки таблицы Менделеева. И наибольший успех был достигнут в работе с литием и калием. О практическом применении нового открытия говорить ещё рано, но свойства фермионного конденсата таковы, что с большой вероятностью в будущем возможно будет получить соединения сохраняющие свойства сверхпроводимости при комнатной температуре.
Фермионный конденсат
Фермионный конденсат был открыт Деборой Джин, Маркусом Греинером и Синди Регал в 2003 году. Для этого они охладили 500 тысяч атомов калия до температуры 5×10−8 Кельвин в переменном магнитном поле. В этих экспериментах изменяемое со временем магнитное поле было приложено к фермионным атомам, что вынуждало их объединиться в бозонные молекулы. Фермионы имеют полуцелый спин (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.), в то время как у бозонов спин целочисленный (1, 2, 3 и т. д.). Спины двух частиц складываются, поэтому молекула, содержащая два фермионных атома, превращается в бозон. Однако теперь выясняется, что даже если два фермиона и не связаны в одну молекулу, а просто движутся вместе неким коррелированным образом, то есть, образовав куперовскую пару, то эта пара уже может вести себя подобно бозону и подвергаться конденсации Бозе-Эйнштейна. В то же время это наиболее «эфемерная» форма конденсации из всех, которые наблюдались к настоящему времени.
При получении сверхнизкой температуры, необходимой для этого эксперимента, было использовано комплексное воздействие на газ при помощи лазерного излучения и магнитного поля. Когда атомы находятся в магнитной ловушке, изменение их температуры может контролироваться с точностью до стомиллиардных долей Кельвина. Для лазерного охлаждения лучше всего подходят металлы из первой группы таблицы Менделеева. И наибольший успех был достигнут в работе с литием и калием.
О практическом применении нового открытия говорить ещё рано, но свойства фермионного конденсата таковы, что с большой вероятностью в будущем возможно будет получить соединения, сохраняющие свойства сверхпроводимости при комнатной температуре.
Фермионный конденсат: свойства, применение и примеры
Содержание:
А Ферми конденсат это, в самом строгом смысле слова, очень разбавленный газ, состоящий из фермионных атомов, подвергшихся воздействию температуры, близкой к абсолютному нулю. Таким образом и при подходящих условиях они переходят в сверхтекучую фазу, образуя новое агрегатное состояние вещества.
Некоторые ученые считают, что фермионный конденсат является половым состоянием вещества. Первые четыре состояния наиболее знакомы каждому: твердое, жидкое, газовое и плазменное.
Важность низких температур
Атомы ведут себя по-разному при температурах, близких к абсолютному нулю, в зависимости от значения их собственного углового момента или спина.
Это делит частицы и атомы на две категории:
— Бозоны с целым спином (1, 2, 3,…).
— Фермионы с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2,…).
Бозоны не имеют никаких ограничений в том смысле, что два или более из них могут находиться в одном квантовом состоянии.
С другой стороны, фермионы выполняют принцип исключения Паули: два или более фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние, или, другими словами: может быть только один фермион на квантовое состояние.
Это фундаментальное различие между бозонами и фермионами делает фермионные конденсаты более трудными для получения, чем бозонные.
Чтобы фермионы заняли все нижние квантовые уровни, необходимо, чтобы они предварительно выстроились попарно, чтобы сформировать так называемый «медные парыКоторые имеют бозонное поведение.
История, основы и свойства
Неожиданным образом был обнаружен первый сверхпроводник.
Сам того не зная, Х.К. Оннесу удалось разместить все электроны проводимости на самом низком квантовом уровне, что в принципе невозможно, поскольку электроны являются фермионами.
Было достигнуто то, что электроны переходили в сверхтекучую фазу внутри металла, но поскольку у них есть электрический заряд, они вызывают поток электрического заряда с нулевой вязкостью и, следовательно, с нулевым электрическим сопротивлением.
H.K. Оннес из Лейдена, Нидерланды, обнаружил, что гелий, который он использовал в качестве хладагента, стал сверхтекучим при достижении температуры 2,2 К (-270,9 по Цельсию).
Сам того не зная, Х.К. Оннесу впервые удалось собрать вместе атомы гелия, которыми он охладил ртуть, на их низшем квантовом уровне. Попутно он также понял, что когда температура опускалась ниже некоторой критической температуры, гелий переходит в сверхтекучую фазу (нулевую вязкость).
Теория сверхпроводимости
Гелий-4 является бозоном и ведет себя соответствующим образом, поэтому можно было перейти от нормальной жидкой фазы к сверхтекучей фазе.
Однако ни один из них не считается фермионным или бозонным конденсатом. В случае сверхпроводимости фермионы, как и электроны, находились внутри кристаллической решетки ртути; а в случае сверхтекучего гелия он перешел из жидкой фазы в сверхтекучую фазу.
Теоретическое объяснение сверхпроводимости пришло позже. Это хорошо известная теория BCS, разработанная в 1957 году.
Теория утверждает, что электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой, образуя пары, которые вместо отталкивания друг друга притягивают друг друга, образуя «куперовские пары», которые действуют как бозоны. Таким образом, электроны в целом могут занимать квантовые состояния с самой низкой энергией, пока температура достаточно низкая.
Как получить фермионный конденсат?
Законный фермионный или бозонный конденсат должен исходить из очень разреженного газа, состоящего из фермионных или бозонных атомов, который охлаждается таким образом, что все его частицы переходят в низшие квантовые состояния.
Поскольку это намного сложнее, чем получение бозонного конденсата, такие конденсаты были созданы только недавно.
Ядро гелия-3 (два протона и один нейтрон) ведет себя как фермион. Нейтральный атом калия-40 имеет 19 протонов + 21 нейтрон + 19 электронов, что в сумме дает нечетное число 59, поэтому он ведет себя как фермион.
Частицы медиатора
Частицами-посредниками взаимодействий являются бозоны. Среди этих частиц можно назвать следующие:
— Фотоны (медиаторы электромагнетизма).
— Глюон (медиаторы сильного ядерного взаимодействия).
— Бозоны Z и W (медиаторы слабого ядерного взаимодействия).
— Гравитон (посредники гравитационного взаимодействия).
Составные бозоны
Среди составных бозонов можно выделить следующие:
— Ядро дейтерия (1 протон и 1 нейтрон).
— Атом гелия-4 (2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона).
Когда сумма протонов, нейтронов и электронов нейтрального атома дает целое число, поведение будет бозонным.
Как был получен фермионный конденсат
За год до получения фермионного конденсата было достигнуто образование молекул с фермионными атомами, которые образовывали сильно связанные пары, которые вели себя как бозоны. Однако это не считается чистым фермионным конденсатом, а скорее напоминает бозонный конденсат.
Но 16 декабря 2003 года команда Деборы Джин, Маркуса Грейнера и Синди Регал из лаборатории JILA в Боулдере, штат Колорадо, достигла образования конденсата пар отдельных фермионных атомов в газе.
В этом случае пара атомов не образует молекулу, а движется вместе коррелированным образом. Таким образом, в целом пара фермионных атомов действует как бозон, следовательно, их конденсация была достигнута.
Чтобы добиться такой конденсации, команда JILA начала с газа с атомами калия-40 (которые являются фермионами), который был заключен в оптическую ловушку при 300 нанокельвинах.
Затем на газ воздействовали колеблющимся магнитным полем, чтобы изменить отталкивающее взаимодействие между атомами и превратить его в притягивающее взаимодействие посредством явления, известного как «резонанс Фесбаха».
Правильная настройка параметров магнитного поля позволяет атомам образовывать куперовские пары вместо молекул. Затем он продолжает охлаждение с получением фермионного конденсата.
Приложения и примеры
Технология, разработанная для получения фермионных конденсатов, в которой атомы практически управляются практически индивидуально, позволит развивать квантовые вычисления, среди других технологий.
Это также улучшит понимание таких явлений, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, позволяя создавать новые материалы с особыми свойствами. Кроме того, было обнаружено, что существует промежуточная точка между сверхтекучестью молекул и обычной за счет образования куперовских пар.
Манипуляции с ультрахолодными атомами позволят нам понять разницу между этими двумя способами получения сверхтекучих жидкостей, что, несомненно, приведет к развитию высокотемпературной сверхпроводимости.
Фактически, сегодня есть сверхпроводники, которые, хотя и не работают при комнатной температуре, работают при температурах жидкого азота, что относительно дешево и легко получить.
Расширяя концепцию фермионных конденсатов за пределы атомных фермионных газов, можно найти множество примеров, когда фермионы коллективно занимают квантовые уровни низких энергий.
Фермионный конденсат
Резюме
Идеальный фермионный газ
Поведение газа из фермионов деградировало не описывается классической физикой, а квантовая физика.
п знак равно ℏ 2 5 м ( 6 π 2 грамм ) 2 3 нет 5 3 <\ displaystyle P = <\ frac <\ hbar ^ <2>> <5m>> \ left (<\ frac <6 \ pi ^ <2>> 
,
Идеальный фермионный газ не может подвергаться конденсации или другому фазовому превращению. Поэтому взаимодействия важны для получения фермионного конденсата.
Идеальный газ в гармоническом потенциале
Охлаждение фермионного газа
Взаимодействия
Конденсат Бозе-Эйнштейна молекул
В 2003 году группе Деборы С. Джин из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) NIST и Университета Колорадо в Боулдере удалось охладить фермионный газ ( 40 К ) ниже температуры дегенерации в сильном режим взаимодействия. Затем атомы объединяются в пары, то есть образуют «молекулы». Последние имеют бозонное поведение и поэтому могут образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), содержащий около 500 000 молекул при температуре 50 нК.
Фазовый конденсат Бардина-Купера-Шриффера
Переход BEC-BCS
В промежуточном режиме между конденсатом молекул и состоянием БКШ, которые представляют собой два пограничных случая, которые просто описать, система образует сложное состояние с N сильно перепутанными телами. Теории среднего поля качественно описывают поведение набора фермионов, но не дают количественных предсказаний. Только численное моделирование типа метода Монте-Карло позволяет точно описать свойства системы.
Этот режим достигается экспериментально с использованием явления резонанса Фешбаха. Погружая газ в подходящее магнитное поле, экспериментатор выбирает силу взаимодействия между атомами. По наложенному полю можно перейти в режим BEC, BCS или посредник.
При низкой температуре наблюдается фазовый переход в сверхтекучее состояние и появление запрещенной зоны в возможных возбуждениях жидкости; однако, в отличие от перехода БКШ, запрещенная зона возникает при более высокой температуре, чем сверхтекучесть. Таким образом, эти два понятия четко различаются.
Несбалансированные наборы фермионов
Случай, когда число атомов в одном спиновом состоянии отличается от числа атомов в другом спиновом состоянии, является еще более сложным, поскольку большинство существующих теорий, касающихся наборов взаимодействующих фермионов, основаны на возможности согласования фермионов с различными внутренними фермионами. состояния. Группа У. Кеттерле выделила предел Чандрасекара-Клогстона, то есть критический дисбаланс населения, который разрушает сверхтекучесть конденсата даже при нулевой температуре.
А фермионный конденсат или конденсат Ферми-Дирака это сверхтекучий фаза образована фермионный частицы на низком уровне температуры. Это тесно связано с Конденсат Бозе – Эйнштейна, сверхтекучая фаза, образованная бозонный атомы в аналогичных условиях. Самый ранний из известных фермионных конденсатов описал состояние электроны в сверхпроводник; физика других примеров, включая недавние работы с фермионными атомы аналогично. Первый атомный фермионный конденсат был создан командой под руководством Дебора С. Джин в 2003 г. [1] [2]
Содержание
Сверхтекучесть
Фермионные конденсаты образуются при более низких температурах, чем конденсаты Бозе – Эйнштейна. Фермионные конденсаты представляют собой разновидность сверхтекучий. Как следует из названия, сверхтекучая жидкость обладает свойствами текучей среды, аналогичными свойствам обычных жидкости и газы, например, отсутствие определенной формы и способность течь в ответ на приложенные силы. Однако сверхтекучие жидкости обладают некоторыми свойствами, которые не проявляются в обычном веществе. Например, они могут течь с высокими скоростями, не рассеивая никакой энергии, т.е. нуль вязкость. При более низких скоростях энергия рассеивается за счет образования квантованные вихри, которые действуют как «дыры» в среде, где нарушается сверхтекучесть. Первоначально сверхтекучесть была обнаружена в жидкости. гелий-4 чьи атомы бозоныа не фермионы.
Фермионные сверхтекучие жидкости
Теория БКШ оказалась феноменально успешной в описании сверхпроводников. Вскоре после публикации статьи BCS несколько теоретиков предположили, что подобное явление может происходить в жидкостях, состоящих из фермионов, отличных от электронов, таких как гелий-3 атомы. Эти предположения подтвердились в 1971 году, когда эксперименты, проведенные Д.Д. Ошеров показали, что гелий-3 становится сверхтекучим ниже 0,0025 К. Вскоре было подтверждено, что сверхтекучесть гелия-3 возникает из-за механизма, подобного БКШ. [а]
Создание первых фермионных конденсатов
Когда Эрик Корнелл и Карл Виман произвел конденсат Бозе – Эйнштейна из рубидий атомы в 1995 г. естественным образом возникла перспектива создания подобного типа конденсата из фермионных атомов, который по механизму БКШ образовывал бы сверхтекучую среду. Однако ранние расчеты показали, что температура, необходимая для образования куперовских пар в атомах, будет слишком низкой для достижения. В 2001 году Мюррей Холланд на ДЖИЛА предложил способ обойти эту трудность. Он предположил, что фермионные атомы можно уговорить образовать пары, подвергнув их сильной магнитное поле.
В 2003 году, работая по предложению Холланда, Дебора Джин в JILA, Рудольф Гримм на Университет Инсбрука, и Вольфганг Кеттерле в Массачусетский технологический институт удалось уговорить фермионные атомы образовать молекулярные бозоны, которые затем подверглись бозе-эйнштейновской конденсации. Однако это не был настоящий фермионный конденсат. 16 декабря 2003 года Джину впервые удалось получить конденсат из фермионных атомов. В эксперименте участвовало 500000 человек.калий-40 атомов охлаждены до температуры 5 × 10 −8 K под действием изменяющегося во времени магнитного поля. [2]
Примеры
Хиральный конденсат
А хиральный конденсат является примером фермионного конденсата, который появляется в теориях [ который? ] безмассовых фермионов [ который? ] с киральная симметрия ломка.
Теория BCS
В Теория BCS из сверхпроводимость имеет фермионный конденсат. Пара электроны в металл с противоположными спинами может образовывать скаляр связанное состояние называется Купер пара. Сами связанные состояния затем образуют конденсат. Поскольку пара Купера имеет электрический заряд, этот фермионный конденсат нарушает электромагнитную калибровочная симметрия сверхпроводника, что приводит к чудесным электромагнитным свойствам таких состояний.
В квантовая хромодинамика (КХД) киральный конденсат также называют кварковый конденсат. Это свойство КХД вакуум частично отвечает за придание массы адронам (наряду с другими конденсатами, такими как глюонный конденсат).
В приближенной версии КХД, в которой массы кварков исчезают при N кварк ароматы, есть точная хиральная SU (N) × SU (N) симметрия теории. В КХД вакуум нарушает эту симметрию до SU (N) путем образования кваркового конденсата. Существование такого фермионного конденсата было впервые явно показано в решеточной формулировке КХД. Таким образом, кварковый конденсат представляет собой параметр порядка переходов между несколькими фазами кварковая материя в этом пределе.
Это очень похоже на Теория BCS сверхпроводимости. В Куперовские пары аналогичны псевдоскалярные мезоны. Однако вакуум не несет заряда. Следовательно, все калибровочные симметрии не сломлены. Поправки на массы кварки могут быть включены с использованием киральная теория возмущений.
Гелий-3 сверхтекучий
А гелий-3 атом это фермион и при очень низких температурах образуют двухатомные Куперовские пары которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучий. Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.