EEN Fermi condensaat het is, in de meest strikte zin, een zeer verdund gas dat bestaat uit fermionische atomen die zijn blootgesteld aan een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt. Op deze manier, en onder geschikte omstandigheden, gaan ze over in een superfluïde fase en vormen ze een nieuwe staat van aggregatie van materie..
Het eerste fermionische condensaat werd verkregen op 16 december 2003 in de Verenigde Staten, dankzij een team van fysici van verschillende universiteiten en instellingen. Het experiment gebruikte ongeveer 500 duizend kalium-40-atomen die waren onderworpen aan een variabel magnetisch veld en een temperatuur van 5 x 10-8 Kelvin.
Die temperatuur wordt beschouwd als bijna het absolute nulpunt en is veel lager dan de temperatuur van de intergalactische ruimte, die ongeveer 3 Kelvin is. Het absolute nulpunt van de temperatuur wordt geacht 0 Kelvin te zijn, wat overeenkomt met -273,15 graden Celsius. Dus 3 Kelvin komt overeen met -270,15 graden Celsius.
Sommige wetenschappers beschouwen fermionisch condensaat als de sekse-toestand van materie. De eerste vier toestanden zijn het meest bekend bij iedereen: vast, vloeibaar, gas en plasma..
Eerder werd een vijfde toestand van materie verkregen wanneer een condensaat van bosonische atomen werd bereikt. Dit eerste condensaat ontstond in 1995 uit een zeer verdund rubidium-87-gas, afgekoeld tot 17 x 10-8 Kelvin.
Artikel index
Atomen gedragen zich heel anders bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, afhankelijk van de waarde van hun intrinsieke impulsmoment of spin..
Dit verdeelt deeltjes en atomen in twee categorieën:
- De bosonen, die zijn met integer spin (1, 2, 3, ...).
- Fermionen, dat zijn die met een half geheel getal spin (1/2, 3/2, 5/2, ...).
De bosonen kennen geen enkele beperking, in die zin dat twee of meer van hen dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen.
Aan de andere kant voldoen fermionen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe: twee of meer fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand innemen, of met andere woorden: er kan maar één fermion per kwantumtoestand zijn.
Dit fundamentele verschil tussen bosonen en fermionen maakt fermionische condensaten moeilijker te verkrijgen dan bosonische condensaten..
Om de fermionen alle laagste kwantumniveaus te laten bezetten, is het nodig dat ze eerst in paren op één lijn liggen, om de zogenaamde "cooper parenDie bosonisch gedrag hebben.
In 1911, toen Heike Kamerlingh Onnes de weerstand bestudeerde van kwik blootgesteld aan zeer lage temperaturen met vloeibaar helium als koelmiddel, ontdekte hij dat bij het bereiken van de temperatuur van 4,2 K (-268,9 Celsius) de weerstand abrupt tot nul daalde..
De eerste supergeleider was op een onverwachte manier gevonden.
Zonder het te weten, H.K. Het is Onnes gelukt om de geleidingselektronen allemaal bij elkaar te plaatsen op het laagste kwantumniveau, een feit dat in principe niet kan omdat de elektronen fermionen zijn..
Het was bereikt dat de elektronen naar de superfluïde fase in het metaal gingen, maar omdat ze een elektrische lading hebben, veroorzaken ze een stroom van elektrische lading met nul viscositeit en bijgevolg nul elektrische weerstand..
H.K. Onnes in Leiden, Nederland, had ontdekt dat het helium dat het als koelmiddel gebruikte, superfluïde werd wanneer de temperatuur van 2,2 K (-270,9 graden Celsius) werd bereikt..
Zonder het te weten, H.K. Voor het eerst was Onnes erin geslaagd de heliumatomen samen te brengen waarmee hij het kwik afkoelde op hun laagste kwantumniveau. Terloops realiseerde hij zich ook dat wanneer de temperatuur onder een bepaalde kritische temperatuur lag, het helium in de supervloeibare fase terechtkwam (viscositeit nul)..
Helium-4 is een boson en gedraagt zich als zodanig, daarom was het mogelijk om van de normale vloeistoffase naar de superfluïde fase te gaan.
Geen van beide wordt echter beschouwd als een fermionisch of bosonisch condensaat. In het geval van supergeleiding bevonden fermionen zich, net als elektronen, binnen het kristalrooster van kwik; en in het geval van superfluïde helium was het overgegaan van de vloeistoffase naar de superfluïde fase.
De theoretische verklaring voor supergeleiding kwam later. Het is de bekende BCS-theorie die in 1957 is ontwikkeld.
De theorie stelt dat elektronen een interactie aangaan met de kristalroostervormende paren die, in plaats van afstoten, elkaar aantrekken en zo "Cooper-paren" vormen die als bosonen fungeren. Op deze manier kunnen de elektronen als geheel de laagste energiekwantumtoestanden bezetten, zolang de temperatuur maar laag genoeg is..
Een legitiem fermion of bosoncondensaat moet uitgaan van een zeer verdund gas dat is samengesteld uit fermionische of boson-atomen, dat zo wordt gekoeld dat de deeltjes allemaal in de laagste kwantumtoestanden terechtkomen..
Omdat dit veel gecompliceerder is dan het krijgen van een bosoncondensaat, zijn dit soort condensaten pas sinds kort ontstaan..
Fermionen zijn deeltjes of conglomeraten van deeltjes met een halve hele spin. Het elektron, het proton en het neutron zijn allemaal ½ spindeeltjes..
De kern van helium-3 (twee protonen en één neutron) gedraagt zich als een fermion. Het neutrale atoom van kalium-40 heeft 19 protonen + 21 neutronen + 19 elektronen, wat neerkomt op het oneven getal 59, dus het gedraagt zich als een fermion.
De mediërende deeltjes van de interacties zijn bosonen. Onder deze deeltjes kunnen we het volgende noemen:
- Fotonen (bemiddelaars van elektromagnetisme).
- Gluon (bemiddelaars van sterke nucleaire interactie).
- Z- en W-bosonen (bemiddelaars van zwakke nucleaire interactie).
- Graviton (bemiddelaars van zwaartekrachtsinteractie).
Onder de samengestelde bosonen zijn de volgende:
- Deuteriumkern (1 proton en 1 neutron).
- Helium-4 atoom (2 protonen + 2 neutronen + 2 elektronen).
Wanneer de som van protonen, neutronen en elektronen van een neutraal atoom resulteert in een geheel getal, zal het gedrag boson zijn.
Een jaar voordat het fermioncondensaat werd bereikt, was de vorming van moleculen met fermionische atomen bereikt die nauw gekoppelde paren vormden die zich gedroegen als bosonen. Dit wordt echter niet beschouwd als een zuiver fermionisch condensaat, maar lijkt eerder op een bosonisch condensaat.
Maar wat op 16 december 2003 werd bereikt door het team van Deborah Jin, Markus Greiner en Cindy Regal van het JILA-laboratorium in Boulder, Colorado, was de vorming van een condensaat van paren individuele fermionische atomen in een gas..
In dit geval vormt het atoompaar geen molecuul, maar beweegt het op een gecorreleerde manier samen. Dus als geheel fungeert het paar fermionische atomen als een boson, waardoor hun condensatie is bereikt..
Om deze condensatie te bereiken, ging het JILA-team uit van een gas met kalium-40-atomen (dit zijn fermionen), dat was opgesloten in een optische val van 300 nanokelvin..
Het gas werd vervolgens onderworpen aan een oscillerend magnetisch veld om de afstotende interactie tussen atomen te veranderen en er een aantrekkelijke interactie van te maken, door middel van een fenomeen dat bekend staat als "Fesbach-resonantie"..
Door de parameters van het magnetische veld goed aan te passen, kunnen de atomen Cooper-paren vormen in plaats van moleculen. Daarna blijft het afkoelen om het fermionische condensaat te verkrijgen.
De technologie die is ontwikkeld om fermionische condensaten te verkrijgen, waarin atomen praktisch bijna individueel worden gemanipuleerd, zal de ontwikkeling van onder meer quantum computing mogelijk maken..
Het zal ook het begrip van verschijnselen als supergeleiding en superfluïditeit verbeteren, waardoor nieuwe materialen met speciale eigenschappen mogelijk worden. Bovendien is ontdekt dat er een tussenliggend punt is tussen de superfluïditeit van de moleculen en de conventionele door de vorming van Cooper-paren..
De manipulatie van ultrakoude atomen zal ons in staat stellen het verschil te begrijpen tussen deze twee manieren om superfluïda te produceren, wat zeker zal resulteren in de ontwikkeling van supergeleiding bij hoge temperaturen..
In feite zijn er tegenwoordig supergeleiders die, hoewel ze niet werken bij kamertemperatuur, ze wel werken bij temperaturen van vloeibare stikstof, die relatief goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen is..
Door het concept van fermionische condensaten uit te breiden tot buiten de atomaire fermiongassen, zijn er talloze voorbeelden te vinden waarin fermionen collectief lage-energetische kwantumniveaus innemen..
De eerste, zoals gezegd, zijn de elektronen in een supergeleider. Dit zijn fermionen die in paren worden uitgelijnd om de laagste kwantumniveaus bij lage temperaturen te bezetten, collectief bosonisch-achtig gedrag vertonen en de viscositeit en weerstand tot nul verminderen..
Een ander voorbeeld van fermionische clustering in lage energietoestanden zijn quarkcondensaten. Het helium-3-atoom is ook een fermion, maar vormt bij lage temperaturen Cooper-paren van twee atomen die zich gedragen als bosonen en superfluïdaal gedrag vertonen..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.