Kondensat fermionowy — definicja, odkrycie (2003) i właściwości

Kondensat fermionowy — definicja, odkrycie 2003 i właściwości: poznaj historię Deborah Jin, eksperymenty z potasem-40 i unikalną superpłynność fermionów.

Kondensat fermionowy, czyli kondensat fermiowy, to stan skupienia (faza nadpłynna) bardzo podobny do kondensatu Bose-Einsteina. Zarówno kondensaty fermionowe, jak i kondensaty Bose-Einsteina mogą wykazywać własności nadpłynne — przepływ bez tarcia oraz koherentne zachowanie dużych zbiorów cząstek.

Różnica między kondensatem fermionowym a Bose‑Einsteinem

Podstawowa różnica wynika z natury cząstek tworzących układ. Bozony mogą zajmować ten sam stan kwantowy, dlatego w kondensacie Bose‑Einsteina wiele cząstek „zbiera się” w jednym stanie podstawowym. Fermiony natomiast podlegają zasadzie Pauliego i pojedyncze fermiony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu kwantowego. Dlatego kondensacja fermionów wymaga dodatkowego mechanizmu: fermiony muszą tworzyć pary, które jako całe zachowują się jak bozony (przykładem są pary Coopera w nadprzewodnikach) i to one ulegają kondensacji.

W laboratoriach formowanie takich par uzyskuje się dzięki sterowaniu oddziaływaniami między atomami — na przykład przy pomocy rezonansu Feshbacha, który pozwala zmieniać efektywną długość oddziaływania między atomami za pomocą pola magnetycznego. Dzięki temu można eksperymentalnie badać przejście od parowania typu BCS (słabe oddziaływanie, rozległe pary) do kondensatu molekułowego typu BEC (silne oddziaływanie, zwarte pary) — tzw. krzyżówkę BCS–BEC.

Odkrycie (2003)

Ten stan rzeczy został po raz pierwszy zrealizowany w grudniu 2003 r. przez Deborah Jin i jej grupę pracującą w JILA, jednostce współprowadzanej przez National Institute of Standards and Technology i Uniwersytecie w Kolorado. Jej zespół stworzył ten stan poprzez schłodzenie chmury potasu - 40 atomów do temperatur poniżej jednej milionowej stopnia Celsjusza (mikrokelwiny) powyżej zera absolutnego. Było to schłodzenie porównywalne z temperaturami wykorzystywanymi do otrzymywania kondensatów Bose‑Einsteina — proces taki nazywa się kondensacją.

W eksperymencie zastosowano techniki ochładzania laserowego i chłodzenia przez odparowanie oraz manipulację oddziaływań atomowych (m.in. rezonans Feshbacha), dzięki czemu możliwe było utworzenie trwałych par atomów i obserwacja ich kondensacji. Wykrywanie kondensatu opierało się m.in. na obrazowaniu po czasie lotu (time‑of‑flight), które ujawnia charakterystyczne zmiany w rozkładzie pędu oraz na spektroskopii radiowo‑częstotliwościowej wskazującej na parowanie.

Właściwości i znaczenie

• Właściwości nadpłynne: kondensaty fermionowe wykazują typowe cechy nadpłynności, takie jak przepływ bez lepkości i możliwość tworzenia kwantowanych wirów.
• Spektrum wzbudzeń: w układach sparowanych pojawia się luka energetyczna związana z tworzeniem i rozrywaniem par — cecha analogiczna do tej występującej w nadprzewodnikach.
• Regulowane oddziaływania: dzięki możliwości strojenia długości oddziaływania (np. przez rezonans Feshbacha) badacze mogą przeprowadzać pomiary w różnych reżimach od słabego po silne sprzężenie, w tym w tzw. jednostkowym gazie fermionowym (unitary Fermi gas), gdzie oddziaływania są maksymalne i układ staje się silnie skorelowany.
• Modelowanie fizyki wielu ciał: ultrazimne kondensaty fermionowe stanowią modelowe układy do badania złożonych zjawisk takich jak mechanizmy nadprzewodnictwa, fazy silnie skorelowane czy zachowanie materii ekstremalnej (np. wnętrze gwiazd neutronowych).

Metody tworzenia i detekcji

Typowe metody obejmują ochładzanie laserowe, chłodzenie przez odparowanie, wykorzystanie rezonansu Feshbacha do tworzenia par oraz techniki obrazowania po czasie lotu do pomiaru rozkładu pędu. Dodatkowo stosuje się spektroskopię radiową i optyczną do badania parowania i parametrów kolejnych faz.

Kondensat fermionowy jest ważnym osiągnięciem eksperymentalnej fizyki atomowej i fi z yki materii skondensowanej — pozwala na kontrolowane badanie przejść kwantowych i zjawisk kolektywnych w układach fermionowych, które mają zastosowania teoretyczne i (pośrednio) praktyczne w zrozumieniu nadprzewodnictwa oraz innych stanów materii.

Różnica pomiędzy fermionami i bozonami

Bosony i fermiony to cząstki subatomowe (bity materii mniejsze od atomu). Różnica między bozonem a fermionem to liczba elektronów, neutronów i/lub protonów atomu. Atom składa się z bozonów, jeżeli ma parzystą liczbę elektronów. Atom składa się z fermionów, jeżeli ma nieparzystą liczbę elektronów, neutronów i protonów. Przykładem bozonu może być gluon. Przykładem fermionu byłby potas-40, którego Deborah Jin użyła jako chmury gazowej. Bozony mogą tworzyć kępki i są przyciągane do siebie, natomiast fermiony nie tworzą kępek. Fermiony znajdują się zazwyczaj w prostych ciągach, ponieważ odpychają się od siebie. Dzieje się tak, ponieważ fermiony są zgodne z zasadą wykluczenia Pauli, która mówi, że nie mogą się zbierać w tym samym stanie kwantowym.

Jest to standardowy model cząstek elementarnych, zwykle określany jako Model Standardowy.

Nadprzewodność i kondensaty fermioniczne

Innym powiązanym zjawiskiem jest nadprzewodnictwo. W nadprzewodnictwie, pary elektronów mogą przepływać z lepkością 0. Istnieje spore zainteresowanie nadprzewodnictwem, ponieważ może ono być tańszym i czystszym źródłem energii elektrycznej. Może być ona również wykorzystywana do zasilania lewitujących pociągów i poduszkowców.

Ale to może się zdarzyć tylko wtedy, gdy naukowcy będą w stanie stworzyć lub odkryć materiały będące nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej. W rzeczywistości Nagroda Nobla zostanie przyznana osobie, której uda się stworzyć nadprzewodnik w temperaturze pokojowej. Obecnie problem polega na tym, że naukowcy muszą pracować z nadprzewodnikami w temperaturze około -135 °C. Wiąże się to z wykorzystaniem ciekłego azotu i innych metod wytwarzania bardzo niskich temperatur. Jest to oczywiście żmudna praca, dlatego też naukowcy wolą używać nadprzewodników w temperaturze pokojowej. Zespół pani Jin uważa, że zastąpienie sparowanych elektronów sparowanymi fermionami doprowadziłoby do powstania nadprzewodnika o temperaturze pokojowej.

Nadprzewodnictwo. To jest efekt Meissnera.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest kondensat fermionowy?

P: Czym różnią się kondensaty fermi od kondensatów Bosego-Einsteina?

P: Czy kondensaty Fermiego mogą występować naturalnie?

P: Kto stworzył pierwszy kondensat fermiego?

P: Jaka była temperatura, w której powstał pierwszy kondensat fermiego?

P: Jak nazywa się proces schładzania gazu do kondensatu?

P: Czy superfluidy są również kondensatami Bosego-Einsteina?

Szukaj według litery