Кондензат на Ферми (фермионен кондензат) — дефиниция и свойства

Фермионният кондензат или кондензатът на Ферми е състояние на материята (свръхфлуидна фаза), което е много подобно на кондензата на Бозе-Айнщайн. Свръхфлуидите също са кондензати на Бозе-Айнщайн. Основната идея е, че в това състояние частиците проявяват макроскопична квантова кохерентност и текат без вискозитет.

Единствената разлика е, че кондензатите на Бозе-Айнщайн се състоят от бозони и могат да заемат едно и също квантово състояние (да бъдат „социални“ помежду си). Фермионите, напротив, подчинени на принципа на Паули, не могат да заемат едно и също квантово състояние и лесно „не се събират“ в един макроскопичен квантов режим. За да се получи кондензат от фермиони, частиците трябва да се свържат по двойки (аналогично на Куперовите двойки в теорията на свръхпроводимостта) и тези двойки да се държат като бозони. Такава двойкова свързаност често се постига експериментално чрез контролиране на взаимодействията между атомите (например чрез Фешбахова резонансна техника), което позволява фермионите да образуват стабилни молекулярни или куперови двойки.

Това състояние на материята е установено през декември 2003 г. от Дебора Джин и нейната група. Джин работи в Националния институт за стандарти и технологии към Университета на Колорадо. Нейният екип създаде това състояние на материята, като охлади облак от атоми на калий-40 до по-малко от една милионна част от температурата над абсолютната нула (-273,15 °C, това е хипотетичната най-ниска граница на физичните температури). Това е същата температура, която е необходима за охлаждане на материята до Бозе-Айнщайнов кондензат. Процесът на охлаждане на газ до кондензат се нарича кондензация.

Как се образува фермионен кондензат

В експериментите за създаване на фермионен кондензат се използват техники като лазерно охлаждане, магнитни и оптични капани и последващо изпарително охлаждане. Ключов елемент е контролът върху междучастичните взаимодействия, често чрез Фешбахова резонансна настройка на магнитното поле, която променя ефективната сила и знак на взаимодействието между атомите. При силно привличане фермионите образуват молекули (двойки), които се държат като бозони и могат да кондензират в Бозе-подобно състояние; при по-слабо привличане получаваме аналог на Куперови двойки (BCS-подобен режим). Преходът между тези два крайни случая е известен като BCS–BEC кросовър и е активна област на изследвания.

Основни свойства

• Свръхфлуидност: фермионният кондензат проявява течене без съпротивление при подходящи условия.
• Квантова кохерентност: двойките формират макроскопична вълнова функция с фаза, която може да доведе до явления като извити токове и вълнови интерференции.
• Преходен характер: в зависимост от силата на взаимодействието системата може да се намира в BCS-подобно (разширени двойки) или в BEC-подобно (компактни молекули) състояние.
• Нискa критична температура: необходимите температури за образуване са от порядъка на микро- до нанокелвини над абсолютната нула.
• Диагностика: наличието на кондензат се установява чрез техники като time-of-flight изображения и измерване на импулсното разпределение, където се наблюдава характерна бимодална или тесна върха в разпределението на скоростите.

Експериментални резултати и приложения

Първите експерименти с калий-40 бяха последвани от успешни опити с други фермиони като литий-6. Изследванията на фермионните кондензати позволиха детайлен експериментален достъп до BCS–BEC кросовъра и допринесоха за по-доброто разбиране на свръхпроводимостта и свръхтечността в силно взаимодействящи системи. Възможни приложения и области на влияние включват:

• моделиране на високотемпературна и нестандартна свръхпроводимост,
• изследване на квантови фазови преходи и силно корелирани квантови материали,
• астрофизични приложения — изясняване на свойствата на материята в неутронни звезди,
• разработване на квантови симулатори за решаване на сложни квантови проблеми.

Фермионният кондензат е важен експериментален и теоретичен модел за изучаването на взаимодействащи квантови системи и продължава да бъде интензивно изследван в съвременната физика на ниските температури.

Разлика между фермиони и бозони

Бозоните и фермионите са субатомни частици (частици материя, по-малки от атом). Разликата между бозона и фермиона е в броя на електроните, неутроните и/или протоните в атома. Атомът е съставен от бозони, ако има четен брой електрони. Атомът е съставен от фермиони, ако има нечетен брой електрони, неутрони и протони. Пример за бозон е глюонът. Пример за фермион е калий-40, който Дебора Джин използва като газов облак. Бозоните могат да образуват струпвания и се привличат един към друг, докато фермионите не образуват струпвания. Фермионите обикновено се намират в прави нишки, защото се отблъскват един от друг. Това е така, защото фермионите се подчиняват на принципа на изключване на Паули, който гласи, че те не могат да се събират заедно в едно и също квантово състояние.

Това е стандартният модел на елементарните частици, обикновено наричан просто стандартен модел.

Свръхпроводимост и фермионни кондензати

Друго свързано явление е свръхпроводимостта. При свръхпроводимостта сдвоените електрони могат да текат с вискозитет 0. Интересът към свръхпроводимостта е доста голям, тъй като тя може да бъде по-евтин и по-чист източник на електроенергия. Тя може да се използва и за захранване на левитиращи влакове и коли на въздушна възглавница.

Но това може да стане само ако учените успеят да създадат или открият материали, които са свръхпроводници при стайна температура. Всъщност Нобелова награда ще бъде присъдена на този, който успее да създаде свръхпроводник при стайна температура. В момента проблемът е, че учените трябва да работят със свръхпроводници при температура около -135 °C. Това включва използването на течен азот и други методи за постигане на изключително ниски температури. Това, разбира се, е досадна работа, поради което учените предпочитат да използват свръхпроводници при стайна температура. Екипът на г-жа Джин смята, че замяната на сдвоените електрони със сдвоени фермиони ще доведе до свръхпроводник при стайна температура.

Свръхпроводимост. Това е ефектът на Майснер.

Въпроси и отговори

В: Какво е фермионен кондензат?

В: По какво се различават фермионовите кондензати от кондензатите на Бозе-Айнщайн?

В: Могат ли кондензатите на Ферми да се появят в природата?

В: Кой е създал първия кондензат на Ферми?

В: Каква е температурата, при която е създаден първият кондензат на Ферми?

Въпрос: Как се нарича процесът на охлаждане на газ в кондензат?

Въпрос: Свръхфлуидите също ли са кондензати на Бозе-Айнщайн?

Търсене по буква