FERMIONIC CONDENSATE: SIFAT, APLIKASI DAN CONTOH - FIZIKAL - 2025

A Fermi kondensat adalah, di dalam pengertian sebenar, gas sangat cair terdiri daripada atom fermionic yang telah tertakluk kepada suhu hampir sifar mutlak. Dengan cara ini, dan dalam keadaan yang sesuai, mereka memasuki fasa superfluid, membentuk keadaan agregat baru.

Kondensat fermionik pertama diperoleh pada 16 Disember 2003 di Amerika Syarikat, terima kasih kepada sepasukan ahli fizik dari pelbagai universiti dan institusi. Eksperimen tersebut menggunakan sekitar 500 ribu atom kalium-40 yang mengalami medan magnet berubah-ubah dan suhu 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Magnet superkonduktor. Sumber: pixabay

Suhu tersebut dianggap hampir dengan sifar mutlak dan jauh lebih rendah daripada suhu ruang intergalaksi, iaitu sekitar 3 Kelvin. Sifar mutlak suhu difahami 0 Kelvin, yang bersamaan dengan -273.15 darjah Celsius. Jadi 3 Kelvin bersesuaian dengan -270,15 darjah Celsius.

Sebilangan saintis menganggap kondensat fermionik adalah keadaan jantina. Empat keadaan pertama paling biasa bagi semua orang: pepejal, cecair, gas, dan plasma.

Sebelumnya, keadaan jirim kelima telah diperoleh ketika kondensat atom bosonik dicapai. Kondensat pertama ini dibuat pada tahun 1995 dari gas rubidium-87 yang sangat cair yang disejukkan hingga 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Kepentingan suhu rendah

Atom berkelakuan sangat berbeza pada suhu mendekati sifar mutlak, bergantung pada nilai momentum sudut intrinsiknya, atau putaran.

Ini membahagikan zarah dan atom kepada dua kategori:

- Boson, yang mempunyai putaran integer (1, 2, 3,…).

- Fermions, yang mempunyai putaran separa integer (1/2, 3/2, 5/2,…)

Boson tidak mempunyai sekatan, dalam arti dua atau lebih daripadanya dapat menempati keadaan kuantum yang sama.

Sebaliknya, fermion memenuhi prinsip pengecualian Pauli: dua atau lebih fermion tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama, atau dengan kata lain: hanya boleh ada satu fermion per keadaan kuantum.

Perbezaan asas antara boson dan fermion menjadikan kondensat fermionik lebih sukar diperoleh daripada bosonik.

Agar fermion menduduki semua tahap kuantum yang lebih rendah, perlu sebelumnya mereka sejajar berpasangan, untuk membentuk apa yang disebut "pasangan Cooper" yang mempunyai tingkah laku bosonik.

Sejarah, asas dan harta benda

Kembali pada tahun 1911, ketika Heike Kamerlingh Onnes sedang mengkaji ketahanan merkuri yang mengalami suhu yang sangat rendah menggunakan helium cair sebagai penyejuk, dia mendapati bahawa setelah mencapai suhu 4.2 K (-268.9 Celsius), rintangan menurun secara tiba-tiba menjadi sifar. .

Superkonduktor pertama telah dijumpai dengan cara yang tidak dijangka.

Tanpa menyedarinya, HK Onnes berjaya menyatukan elektron konduksi pada tahap kuantum terendah, suatu fakta yang tidak mungkin pada dasarnya kerana elektron adalah fermion.

Kemungkinan elektron melepasi fasa superfluid di dalam logam, tetapi kerana mereka mempunyai cas elektrik, ia menyebabkan aliran cas elektrik dengan kelikatan sifar dan akibatnya sifar rintangan elektrik.

HK Onnes sendiri di Leiden, Belanda telah mendapati bahawa helium yang digunakannya sebagai pendingin menjadi superfluid ketika suhu 2.2 K (-270.9 Celsius) tercapai.

Tanpa disedari, HK Onnes untuk pertama kalinya berjaya menyatukan atom helium yang dengannya dia menyejukkan merkuri pada tahap kuantum terendah mereka. Semasa berlalu, dia juga menyedari bahawa ketika suhu berada di bawah suhu kritikal tertentu, helium melewati fasa superfluid (kelikatan sifar).

Teori superkonduktiviti

Helium-4 adalah boson dan berperilaku seperti itu, itulah sebabnya kemungkinan untuk pergi dari fasa cecair normal ke fasa superfluid.

Bagaimanapun kedua-duanya tidak dianggap sebagai kondensat fermionik atau bosonik. Dalam kes superkonduktiviti, fermion, seperti elektron, berada dalam kisi kristal merkuri; dan dalam hal helium superfluid, ia telah berlalu dari fasa cecair ke fasa superfluid.

Penjelasan teoritis untuk superkonduktiviti datang kemudian. Ini adalah teori BCS terkenal yang dikembangkan pada tahun 1957.

Teori tersebut menyatakan bahawa elektron berinteraksi dengan kisi kristal yang membentuk pasangan yang bukannya saling menghalau satu sama lain, saling menarik membentuk "pasangan Cooper" yang bertindak sebagai boson. Dengan cara ini, elektron secara keseluruhan dapat menempati keadaan kuantum tenaga terendah, asalkan suhunya cukup rendah.

Bagaimana menghasilkan kondensat fermion?

Kondensat fermion atau boson yang sah mesti bermula dari gas yang sangat cair yang terdiri daripada atom fermionik atau bosonik, yang disejukkan sedemikian rupa sehingga zarahnya semuanya menuju ke keadaan kuantum terendah.

Oleh kerana ini lebih rumit daripada mendapatkan kondensat boson, baru-baru ini jenis kondensat telah dibuat.

Fermion adalah zarah atau konglomerat zarah dengan separuh putaran keseluruhan. Elektron, proton, dan neutron adalah zarah putaran.

Inti helium-3 (dua proton dan satu neutron) berkelakuan seperti fermion. Atom neutral kalium-40 mempunyai 19 proton + 21 neutron + 19 elektron, yang bertambah hingga nombor ganjil 59, sehingga berperilaku sebagai fermion.

Zarah pengantara

Zarah perantara interaksi adalah boson. Di antara zarah-zarah ini kita boleh menamakan yang berikut:

- Foton (pengantara elektromagnetisme).

- Gluon (pengantara interaksi nuklear yang kuat).

- Boson Z dan W (pengantara interaksi nuklear yang lemah).

- Graviton (pengantara interaksi graviti).

Boson sebatian

Antara boson sebatian adalah seperti berikut:

- Nukleus Deuterium (1 proton dan 1 neutron).

- Helium-4 atom (2 proton + 2 neutron + 2 elektron).

Setiap kali jumlah proton, neutron dan elektron atom neutral menghasilkan bilangan bulat, tingkah laku akan menjadi boson.

Bagaimana kondensat fermionik diperoleh

Setahun sebelum mencapai kondensat fermion, pembentukan molekul dengan atom fermionik yang membentuk pasangan berpasangan erat yang berkelakuan seperti boson telah dicapai. Walau bagaimanapun, ini tidak dianggap sebagai kondensat fermionik tulen, tetapi menyerupai kondensat bosonik.

Tetapi apa yang dicapai pada 16 Disember 2003, oleh pasukan Deborah Jin, Markus Greiner, dan Cindy Regal dari makmal JILA di Boulder, Colorado, adalah pembentukan kondensat pasangan atom fermionik individu dalam gas.

Dalam kes ini, pasangan atom tidak membentuk molekul, tetapi bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Oleh itu, secara keseluruhan, pasangan atom fermionik bertindak sebagai boson, oleh itu pemeluwapannya telah dicapai.

Untuk mencapai pemeluwapan ini, pasukan JILA bermula dari gas dengan atom kalium-40 (yang merupakan fermion), yang terkurung dalam perangkap optik pada 300 nanokelvin.

Gas itu kemudian dikenakan medan magnet berayun untuk mengubah interaksi tolakan antara atom dan mengubahnya menjadi menarik, melalui fenomena yang dikenal sebagai "Fesbach resonans."

Menyelaraskan parameter medan magnet dengan tepat memungkinkan atom membentuk pasangan Cooper dan bukannya molekul. Kemudian ia terus menyejukkan untuk mendapatkan kondensat fermionik.

Aplikasi dan contoh

Teknologi yang dikembangkan untuk mencapai kondensat fermionik, di mana atom secara praktik dimanipulasi hampir secara individu, akan memungkinkan pengembangan pengkomputeran kuantum, antara teknologi lain.

Ia juga akan meningkatkan pemahaman fenomena seperti superkonduktiviti dan superfluiditi, yang membolehkan bahan baru dengan sifat khas. Selanjutnya, telah dijumpai bahawa ada titik perantaraan antara superfluiditas molekul dan molekul konvensional melalui pembentukan pasangan Cooper.

Manipulasi atom ultrasold akan membolehkan kita memahami perbezaan antara dua cara menghasilkan superfluid ini, yang pasti akan menghasilkan pengembangan superkonduktiviti suhu tinggi.

Sebenarnya, hari ini ada superkonduktor yang walaupun mereka tidak berfungsi pada suhu bilik, mereka berfungsi pada suhu nitrogen cair, yang relatif murah dan mudah diperoleh.

Memperluas konsep kondensat fermionik di luar gas fermion atom, banyak contoh dapat dijumpai di mana fermion secara kolektif menempati tahap kuantum tenaga rendah.

Yang pertama seperti yang telah disebutkan adalah elektron dalam superkonduktor. Ini adalah fermion yang sejajar berpasangan untuk menempati tahap kuantum terendah pada suhu rendah, menunjukkan tingkah laku seperti bosonik kolektif dan mengurangkan kelikatan dan ketahanan ke sifar.

Contoh lain pengelompokan fermionik dalam keadaan tenaga rendah adalah kondensat quark. Juga atom helium-3 adalah fermion, tetapi pada suhu rendah ia membentuk pasangan Cooper dari dua atom yang berkelakuan seperti boson dan menunjukkan tingkah laku superfluid.

Rujukan

1. K Goral dan K Burnett. Fermionik pertama untuk kondensat. Dipulihkan dari: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensat. Diakses daripada: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers dan B Dumé. Fermions condensate membuat penampilan sulung. Dipulihkan dari: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Kondensat fermionik. Dipulihkan dari Wikiwand.com
5. Wikiwand. Kondensat fermionik. Dipulihkan dari Wikiwand.com