Fermionu kondensāts — superteces fāze, īpašības un atklājums (2003)

Uzzini par fermionu kondensātu — unikālu superteces fāzi, tās īpašībām, 2003. gada atklājumu Deboras Džinas komandā un kvantu kondensācijas nozīmi.

Fermioniskais kondensāts jeb fermi kondensāts ir vielas stāvoklis (superteces fāze), kas ir ļoti līdzīgs Boses-Einšteina kondensātam. Arī supertekūdeņi ir Bozes-Einšteina kondensāti.

Vienīgā atšķirība ir tāda, ka Bosa-Einšteina kondensāti sastāv no bozoniem un ir savstarpēji sociāli (grupās jeb kupenās). Fermī kondensāti ir antisociāli (tie vispār nepiesaista viens otru). Tas ir jādara mākslīgi.

Šo stāvokli 2003. gada decembrī izveidoja Debora Džina un viņas grupa. Džin strādāja Nacionālajā standartu un tehnoloģijuinstitūtā Kolorādo Universitātē. Viņas komanda radīja šo vielas stāvokli, atdzesējot kālija-40 atomu mākoni līdz mazāk nekā miljons°C virs absolūtās nulles (-273,15 °C, tā ir hipotētiskā zemākā fizikālās temperatūras robeža). Tā ir tāda pati temperatūra, kāda nepieciešama, lai atdzesētu matēriju līdz Bose-Einšteina kondensātam. Gāzes atdzesēšanas par kondensātu procesu sauc par kondensāciju.

Kas īsti ir fermionu kondensāts?

Fermionu kondensāts ir kvantu daļiņu sistēmas stāvoklis, kur fermioni (daļiņas ar pusvesela spin, piemēram, elektroni vai noteikti atomi) veido pārus un šie pāri uzvedas kā bozoni — tāpēc tie var ieņemt vienu kopīgu kvantu stāvokli un izrādīt supertekas īpašības. Šis stāvoklis ir radniecīgs Boses-Einšteina kondensātam, bet sasniegšanas mehānisms atšķiras, jo atsevišķi fermioni Pauli principa dēļ nevar vienlaikus aizņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli.

Galvenā atšķirība no Bose–Einšteina kondensāta

• Bozoni var tieši kondensēties, jo tie nepakļaujas Pauli izslēgšanas principam — daudz bozoni var atrasties tajā pašā vienpartiklu stāvoklī.
• Fermioni nevar tieši kondensēties vienā un tajā pašā vienpartiklu stāvoklī; lai radītu kolektīvu kondensātu, fermioni parasti veido pārus (piemēram, Cooper pārus), kas uzvedas kā komponēti bozoni un var kondensēties.
• Tāpēc fermionu kondensāts bieži tiek saistīts ar pāru veidošanos un ar fenomenu, ko sauc par BCS–BEC pāreju (savieno Bardeen–Cooper–Schrieffer teoriju, kas apraksta supervadību, ar Bose–Einšteina kondensāciju).

Atklājums 2003. gadā un laboratori

2003. gadā, vadot pētījumus JILA (kopdarbs starp Nacionālo standartu un tehnoloģiju institūtu un Kolorādo Universitāti), Debora (Deborah S.) Džina un viņas kolēģi demonstrēja fermionu kondensāta veidošanos, strādājot ar kālija-40 atomu plūsmu. Eksperimentos izmantoja lāzeru atdzesēšanu un tālākējo evaporatīvo atdzesēšanu, kā arī magnētiskā lauka Feshbach rezonansi, lai kontrolētu atomu mijiedarbību un veicinātu pāru veidošanos.

Temperatūras, kurās iegūst šādu kvantu degenerāciju, ir ārkārtīgi zemas — parasti daži simti nanokelvinu (10⁻⁹ K) līdz daži mikrokelvini (10⁻⁶ K) virs absolūtās nulles. Šādas temperatūras ir salīdzināmas ar tām, kuras nepieciešamas Bose–Einšteina kondensāta izveidei.

Eksperimentālie pierādījumi un īpašības

• Supertece un supervadība: fermionu kondensāts var parādīt supertekas īpašības (bezviskošu plūsmu), tam ir sakars ar supervadību, kur elektroni pārojas un pārvietojas bez pretestības.
• Pāru veidošanās: eksperimenti rāda, ka fermioni veido spēcīgi korelētas pāru kopas; šos pārus var interpretēt gan kā mukleāras molekulas (BEC limits), gan kā vāji saistītus Cooper pārus (BCS limits).
• Spektrālās un momentumālās pazīmes: kondensāts parasti izpaužas kā skaidra pīķa veidošanās momenta sadalījumā un kā enerģijas pāra (gap) radīšanās, ko mēra ar radiofrekvenču spektroskopiju vai pēcapstrādes attēlošanu.
• Kontrolējama mijiedarbība: ar Feshbach rezonansi mijiedarbību spēku var mainīt, ļaujot pētīt plašu BCS–BEC pārejas parametru loku.

Kāpēc tas ir svarīgi?

• Fermionu kondensāti nodrošina tīru, labi kontrolējamu sistēmu kvantu daļiņu mijiedarbību un kolektīvo izpausmju pētīšanai, noderīgu daudzu sarežģītu vielas stāvokļu izpratnei.
• Tie ir modelis, ar kuru var pētīt supervadību (tai skaitā īpatnējus, varbūt arī augstas temperatūras supervadības mehānismus) un kvantu daudzķermeņu fizikas fenomenu.
• Pielietojami kvantu simulācijās, precīzijas mērījumos un fundamentālas fizikas eksperimentiem.

Kā tos iegūst laboratorijā — īsa metode

• Lāzeru atdzesēšana, lai samazinātu daļiņu kinētisko enerģiju.
• Evaporatīvā atdzesēšana kvēluma izvadīšanai un vēl dziļākam temperatūras kritumam.
• Magnētiskā lauka Feshbach rezonances izmantošana mijiedarbības stipruma regulēšanai un fermionu pāru veicināšanai.
• Momentveida un enerģijas spektru mērījumi, lai identificētu kondensāta pazīmes.

Noslēgumā: fermionu kondensāts nav tikai filozofisks termins «antisociāliem» atomiem — tas ir konkrēts kvantu stāvoklis, kur fermioni, pateicoties pāru veidošanai, rada kolektīvu, ko raksturo supertekas īpašības. Atklājums 2003. gadā atklāja jaunu iespēju lauku kvantu daļiņu mijiedarbību un daudzķermeņu fizikas eksperimentiem.

Fermionu un bozonu atšķirība

Bosoni un fermioni ir subatomāras daļiņas (par atomu mazākas vielas daļiņas). Atšķirība starp bozonu un fermionu ir atoma elektronu, neitronu un/vai protonu skaits. Atoms sastāv no bozoniem, ja tajā ir pāra skaits elektronu. Atoms sastāv no fermioniem, ja tajā ir nepāra skaits elektronu, neitronu un protonu. Bozona piemērs ir glions. Fermiona piemērs ir kālijs-40, ko Debora Džina izmantoja kā gāzes mākoni. Bozoni var veidot salipumus, un tie piesaista viens otru, savukārt fermioni salipumus neveido. Fermioni parasti ir atrodami taisnās virknēs, jo tie viens otru atgrūž. Tas ir tāpēc, ka fermioni ievēro Pauli izslēgšanas principu, kas nosaka, ka tie nevar pulcēties kopā vienā kvantu stāvoklī.

Tas ir elementārdaļiņu standarta modelis, ko parasti dēvē vienkārši par standarta modeli.

Supravadītspēja un fermioniskie kondensāti

Vēl viena saistīta parādība ir supravadītspēja. Supravadītspējas gadījumā pāri elektroni var plūst ar 0 viskozitāti. Par supravadītspēju ir diezgan liela interese, jo tā varētu būt lētāks un tīrāks elektroenerģijas avots. To varētu izmantot arī, lai darbinātu levitējošus vilcienus un lidojošus automobiļus.

Taču tas var notikt tikai tad, ja zinātniekiem izdosies radīt vai atklāt materiālus, kas ir supravadītāji istabas temperatūrā. Patiesībā Nobela prēmija tiks piešķirta tam, kam izdosies radīt supravadītāju istabas temperatūrā. Pašlaik problēma ir tāda, ka zinātniekiem ir jāstrādā ar supravadītājiem aptuveni -135 °C temperatūrā. Tas ietver šķidrā slāpekļa un citu metožu izmantošanu, lai panāktu ārkārtīgi zemu temperatūru. Tas, protams, ir nogurdinošs darbs, tāpēc zinātnieki dod priekšroku supravadītājiem istabas temperatūrā. Džinas kundzes komanda uzskata, ka, aizvietojot pārī savienotos elektronus ar pārī savienotajiem fermijoniem, varētu iegūt supravadītāju istabas temperatūrā.

Supravadītspēja. Tas ir Meissnera efekts.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fermijonu kondensāts?

J: Ar ko fermi kondensāti atšķiras no Bose-Einšteina kondensātiem?

J: Vai Fermī kondensāti var rasties dabā?

J: Kurš radīja pirmo fermija kondensātu?

J: Kādā temperatūrā tika izveidots pirmais fermija kondensāts?

J: Kā sauc procesu, kurā gāze tiek atdzesēta līdz kondensātam?

J: Vai arī supertekūdeņi ir Boses-Einšteina kondensāti?

Meklēt pēc burta