ANG CONDMATE NG FERMIONIC: MGA KATANGIAN, APLIKASYON AT HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang isang kondensa ng Fermi ay, sa mahigpit na kahulugan, isang napaka dilute gas na binubuo ng mga fermionic atoms na sumailalim sa isang temperatura na malapit sa ganap na zero. Sa ganitong paraan, at sa ilalim ng angkop na mga kondisyon, pumasa sila sa isang superfluid phase, na bumubuo ng isang bagong estado ng pagsasama-sama ng bagay.

Ang unang fermionic condensate ay nakuha noong Disyembre 16, 2003 sa Estados Unidos, salamat sa isang pangkat ng mga pisika mula sa iba't ibang unibersidad at institusyon. Ang eksperimento na ginamit tungkol sa 500 libong mga potassium-40 na mga atom ay sumailalim sa isang variable na magnetic field at isang temperatura ng 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Superconducting magnet. Pinagmulan: pixabay

Ang temperatura na iyon ay itinuturing na malapit sa ganap na zero at malawak na mas mababa kaysa sa temperatura ng intergalactic space, na halos 3 Kelvin. Ang ganap na zero ng temperatura ay nauunawaan na 0 Kelvin, na katumbas ng -273.15 degree Celsius. Kaya ang 3 Kelvin ay tumutugma sa -270.15 degree Celsius.

Ang ilang mga siyentipiko ay isinasaalang-alang ang fermionic condensate na maging sex state matter. Ang unang apat na estado ay pinaka pamilyar sa lahat: solid, likido, gas, at plasma.

Noong nakaraan, isang ikalimang estado ng bagay ang nakuha kapag nakamit ang isang condensate ng mga bosonic atoms. Ang unang condensate na ito ay nilikha noong 1995 mula sa isang napaka dilute rubidium-87 gas na pinalamig sa 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Ang kahalagahan ng mababang temperatura

Ang mga atomo ay kumikilos nang ibang-iba sa mga temperatura na malapit sa ganap na zero, depende sa halaga ng kanilang intrinsic angular momentum, o pag-ikot.

Hinahati nito ang mga partikulo at atoms sa dalawang kategorya:

- Ang mga bosons, na kung saan ay may mga integer spin (1, 2, 3, …).

- Mga Fermions, na kung saan ay may mga semi-integer spin (1/2, 3/2, 5/2, …).

Ang mga Bosons ay walang anumang mga paghihigpit, sa kahulugan na ang dalawa o higit pa sa mga ito ay maaaring sakupin ang parehong estado ng dami.

Sa kabilang banda, natutupad ng mga fermion ang prinsipyo ng pagbubukod sa Pauli: dalawa o higit pang mga fermion ay hindi maaaring sakupin ang parehong estado ng kabuuan, o sa madaling salita: maaari lamang magkaroon ng isang fermion bawat estado ng dami.

Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga bosons at fermion ay gumagawa ng fermionic condensates na mas mahirap makuha kaysa sa mga bosonic.

Para sa mga fermion na sakupin ang lahat ng mga mas mababang antas ng dami, kinakailangan na dati silang magkahanay ng mga pares, upang mabuo ang tinatawag na "Mga pares ng Cooper" na may pag-uugali sa bosonic.

Kasaysayan, pundasyon at pag-aari

Noong 1911, nang pag-aralan ni Heike Kamerlingh Onnes ang paglaban ng mercury na napasailalim sa mababang temperatura na gumagamit ng likidong helium bilang isang coolant, natagpuan niya na sa pag-abot sa temperatura ng 4.2 K (-268.9 Celsius) ang pagtutol ay biglang bumaba sa zero. .

Ang unang superconductor ay natagpuan sa hindi inaasahang paraan.

Nang hindi nalalaman ito, pinamamahalaang ng HK Onnes na magkasama nang magkasama ang conduction electrons sa pinakamababang antas ng dami, isang katotohanan na hindi posible dahil sa mga electron ay fermions.

Ito ay nakamit na ang mga electron na naipasa sa superfluid phase sa loob ng metal, ngunit dahil mayroon silang isang de-koryenteng singil, nagiging sanhi sila ng isang daloy ng singil ng koryente na may zero lagkit at dahil dito zero electrical resistensya.

Si HK Onnes mismo sa Leiden, natagpuan ng Netherlands na ang helium na ginamit niya bilang isang nagpapalamig ay naging superfluid kapag naabot ang temperatura ng 2.2 K (-270.9 Celsius).

Hindi alam, ang HK Onnes ay sa kauna-unahang pagkakataon ay nagtagumpay sa paglalagay ng mga atomo ng helium sa kanilang pinakamababang antas ng dami na pinalamig niya ang mercury. Sa pagpasa, napagtanto din niya na kapag ang temperatura ay nasa ilalim ng isang tiyak na kritikal na temperatura, ang helium ay dumaan sa superfluid phase (zero lagkit).

Ang teorya ng superconductivity

Ang Helium-4 ay isang boson at kumikilos tulad nito, kaya't posible na umalis mula sa normal na phase ng likido hanggang sa superfluid phase.

Gayunpaman, alinman sa mga ito ay hindi itinuturing na isang fermionic o bosonic condensate. Sa kaso ng superconductivity, ang mga fermion, tulad ng mga electron, ay nasa loob ng kristal na sala-sala ng mercury; at sa kaso ng superfluid helium, lumipas ito mula sa likido na bahagi hanggang sa superfluid phase.

Ang paliwanag ng teoretikal para sa superconductivity ay dumating sa ibang pagkakataon. Ito ang kilalang teorya ng BCS na binuo noong 1957.

Ang teorya ay nagsasabi na ang mga electron ay nakikipag-ugnay sa kristal na lattice na bumubuo ng mga pares na sa halip na maitaboy ang bawat isa, akitin ang bawat isa na bumubuo ng "mga pares ng Cooper" na kumikilos bilang mga bosons. Sa ganitong paraan, ang mga elektron sa kabuuan ay maaaring sakupin ang pinakamababang estado ng dami ng enerhiya, hangga't ang temperatura ay sapat na mababa.

Paano makagawa ng isang fermion condensate?

Ang isang lehitimong fermion o boson condensate ay dapat magsimula mula sa isang napaka dilute gas na binubuo ng fermionic o bosonic atoms, na pinalamig sa paraang ang lahat ng mga partido nito ay pumunta sa pinakamababang estado ng kabuuan.

Dahil mas kumplikado ito kaysa sa pagkuha ng condonate ng boson, kamakailan lamang na nilikha ang mga ganitong uri ng condensates.

Ang mga Fermion ay mga particle o conglomerates ng mga particle na may kalahating buong pag-ikot. Ang elektron, proton, at neutron ay lahat ng mga kalahating partikulo.

Ang nucleus ng helium-3 (dalawang proton at isang neutron) ay kumikilos tulad ng isang fermion. Ang neutral na atom ng potassium-40 ay may 19 proton + 21 neutrons + 19 electron, na nagdaragdag ng kakaibang bilang 59, kaya kumikilos ito bilang isang fermion.

Mga partikulo ng tagapamagitan

Ang mga mediating particle ng mga pakikipag-ugnay ay mga boson. Kabilang sa mga particle na ito ay maaari nating pangalanan ang sumusunod:

- Mga Photon (mediator ng electromagnetism).

- Gluon (tagapamagitan ng malakas na pakikipag-ugnay ng nuklear).

- Mga Bosons Z at W (mga tagapamagitan ng mahina na pakikipag-ugnay sa nuklear).

- Graviton (mediator ng pakikipag-ugnay ng gravitational).

Compound bosons

Kabilang sa mga tambalang compound ay ang mga sumusunod:

- nucleium nucleus (1 proton at 1 neutron).

- Helium-4 atom (2 proton + 2 neutrons + 2 electrons).

Kailanman ang kabuuan ng mga proton, neutron at elektron ng isang neutral na atom ay nagreresulta sa isang integer ang pag-uugali ay magiging boson.

Paano nakuha ang isang fermionic condensate

Isang taon bago nakamit ang pagbagsak ng fermion, ang pagbuo ng mga molekula na may mga fermionic atoms na nabuo ng mahigpit na magkakasamang mga pares na kumilos tulad ng mga bosons ay nakamit. Gayunpaman, hindi ito itinuturing na isang dalisay na fermionic condensate, ngunit sa halip ay kahawig ng isang bosonic condensate.

Ngunit ang nagawa noong Disyembre 16, 2003, sa pamamagitan ng koponan ni Deborah Jin, Markus Greiner, at Cindy Regal mula sa JILA laboratory sa Boulder, Colorado, ay ang pagbuo ng isang pampalipas ng mga pares ng mga indibidwal na mga fermionic atoms sa isang gas.

Sa kasong ito ang pares ng mga atom ay hindi bumubuo ng isang molekula, ngunit sama-sama na gumalaw sa isang correlated na paraan. Kaya, sa kabuuan, ang pares ng mga fermionic atoms ay kumikilos bilang isang boson, kung kaya nakamit ang kanilang paghalay.

Upang makamit ang kondensasyong ito, ang pangkat ng JILA ay nagsimula mula sa isang gas na may potassium-40 atoms (na mga fermion), na nakakulong sa isang optical trap sa 300 nanokelvin.

Ang gas ay pagkatapos ay sumailalim sa isang oscillating magnetic field upang mabago ang mapang-akit na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga atomo at gawing isang kaakit-akit, sa pamamagitan ng isang kababalaghan na kilala bilang "Fesbach resonance."

Ang pagsasaayos ng mga parameter ng magnetic field na naaangkop na posible para sa mga atomo na bumubuo ng mga pares ng Cooper sa halip na mga molekula. Pagkatapos ay patuloy itong paglamig upang makuha ang fermionic condensate.

Mga aplikasyon at halimbawa

Ang teknolohiyang binuo upang makamit ang fermionic condensates, kung saan ang mga atomo ay halos manipulahin halos nang paisa-isa, ay magbibigay-daan sa pag-unlad ng computing ng kabuuan, bukod sa iba pang mga teknolohiya.

Mapapabuti nito ang pag-unawa sa mga phenomena tulad ng superconductivity at superfluidity, na nagpapahintulot sa mga bagong materyales na may mga espesyal na katangian. Bukod dito, natuklasan na mayroong isang intermediate point sa pagitan ng superfluidity ng mga molekula at ang maginoo sa pamamagitan ng pagbuo ng mga pares ng Cooper.

Ang pagmamanipula ng mga ultracold atoms ay magpapahintulot sa amin na maunawaan ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang paraan na ito ng paggawa ng mga superfluid, na tiyak na magreresulta sa pagbuo ng mataas na temperatura superconductivity.

Sa katunayan, ngayon mayroong mga superconductor na bagaman hindi ito gumagana sa temperatura ng silid, ginagawa nila ang mga temperatura sa likidong nitrogen, na medyo mura at madaling makuha.

Ang pagpapalawak ng konsepto ng fermionic condensates na lampas sa mga gas ng fermion na gas, maraming mga halimbawa ang matatagpuan kung saan ang mga fermion ay sama-samang sumakop sa mga antas ng mababang-enerhiya na dami.

Ang una tulad ng sinabi na ang mga elektron sa isang superconductor. Ito ang mga fermion na nakahanay sa mga pares upang sakupin ang pinakamababang antas ng dami sa mababang temperatura, na nagpapakita ng sama-samang pag-uugali na tulad ng bosonic at pagbabawas ng lagkit at paglaban sa zero.

Ang isa pang halimbawa ng pagsasama-sama ng fermionic sa mga estado na may mababang lakas ay ang quark condensates. Gayundin ang helium-3 atom ay isang fermion, ngunit sa mababang temperatura ay bumubuo ito ng mga pares ng Cooper ng dalawang mga atomo na kumikilos tulad ng mga bosons at nagpapakita ng pag-uugali ng superfluid.

Mga Sanggunian

1. K Goral at K Burnett. Fermionic muna para sa condensates. Nabawi mula sa: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Huminahon si Fermi. Nakuha mula sa: user.physics.harvard.edu
3. P Rodgers at B Dumé. Ginagawang ang Fermions condensate. Nabawi mula sa: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Ang condmate ng Fermionic. Nabawi mula sa Wikiwand.com
5. Wikiwand. Ang condmate ng Fermionic. Nabawi mula sa Wikiwand.com