Kondensat fermionów
Kondensat fermionowy, czyli kondensat fermiowy, to stan skupienia (faza nadpłynna), który jest bardzo podobny do kondensatu Bose-Einsteina. Superfluidami są również kondensaty Bose-Einsteina.
Jedyna różnica polega na tym, że kondensaty Bose-Einsteina składają się z bozonów i są ze sobą towarzyskie (w grupach lub bryłach). Kondensaty fermi są antyspołeczne (w ogóle się nie przyciągają). To musi być zrobione sztucznie.
Ten stan rzeczy został wprowadzony w grudniu 2003 r. przez Deborah Jin i jej grupę. Jin pracował dla National Institute of Standards and Technology na Uniwersytecie w Kolorado. Jej zespół stworzył ten stan rzeczy poprzez schłodzenie chmury potasu - 40 atomów do temperatury poniżej jednej milionowej°C powyżej zera absolutnego (-273,15°C, jest to hipotetyczna najniższa granica temperatury fizycznej). Jest to ta sama temperatura, która jest wymagana do schłodzenia materii do kondensatu Bose-Einsteina. Proces chłodzenia gazu do kondensatu nazywany jest kondensacją.
Deborah Jin
Albert Einstein, jeden z dwóch mężczyzn, którzy postawili hipotezę o kondensacji Bose-Einsteina w latach dwudziestych XX wieku.
Satyendra Nath Bose, człowiek, który współpracował z Einsteinem, aby wymyślić pomysł kondensatu Bose-Einsteina. Jest on również znany ze swoich statystyk Bose-Einsteina.
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.
Podobieństwo do kondensatu Bose-Einsteina
Podobnie jak kondensaty Bose-Einsteina, kondensaty fermi łączą się (rosną razem w jedną całość) z cząstkami, które je tworzą. Kondensaty Bose-Einsteina i kondensaty fermi są również stanami materii stworzonymi przez człowieka. Cząsteczki, które tworzą te stany muszą być sztucznie super schłodzone, aby miały takie same właściwości jak one. Kondensaty fermi osiągają jednak jeszcze niższe temperatury niż kondensaty Bose-Einsteina. Ponadto, oba stany materii nie mają lepkości, co oznacza, że mogą one płynąć bez zatrzymania.
Hel-3 i fermiony
Tworzenie kondensatu fermi jest bardzo trudne. Fermiony przestrzegają zasady wykluczenia i nie są do siebie przyciągane. Odpychają się od siebie. Jin i jej zespół badawczy znaleźli sposób na połączenie ich razem. Dostosowali i zastosowali pole magnetyczne na antyspołecznych fermionach, więc zaczęli tracić swoje właściwości. Fermiony nadal zachowywały część swojego charakteru, ale zachowywały się trochę jak bosony. Dzięki temu mogły w kółko łączyć ze sobą odrębne pary fermionów. Pani Jin podejrzewa, że ten proces parowania jest taki sam w Helium-3, również zbędnym płynem. Na podstawie tych informacji mogą oni przypuszczać (zgadywać), że kondensaty fermionowe będą płynąć również bez żadnej lepkości.
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?
O: Kondensat fermionowy to stan materii podobny do kondensatu Bosego-Einsteina, ale składający się z fermionów zamiast bozonów.
P: Czym różnią się kondensaty fermi od kondensatów Bosego-Einsteina?
O: Kondensaty Fermiego są antyspołeczne i nie przyciągają się, natomiast kondensaty Bosego-Einsteina są społeczne i przyciągają się w grupach lub klastrach.
P: Czy kondensaty Fermiego mogą występować naturalnie?
O: Nie, kondensaty fermiego muszą być stworzone sztucznie poprzez proces kondensacji, ten sam proces, który służy do tworzenia kondensatów Bosego-Einsteina.
P: Kto stworzył pierwszy kondensat fermiego?
O: Deborah Jin i jej zespół w National Institute of Standards and Technology na Uniwersytecie Kolorado stworzyli pierwszy kondensat fermiego w grudniu 2003 roku.
P: Jaka była temperatura, w której powstał pierwszy kondensat fermiego?
O: Pierwszy kondensat fermiego powstał w wyniku schłodzenia chmury atomów potasu-40 do temperatury mniejszej niż milionowa część°C powyżej zera absolutnego (-273,15°C), czyli takiej samej, jaka jest potrzebna do powstania kondensatu Bosego-Einsteina.
P: Jak nazywa się proces schładzania gazu do kondensatu?
O: Proces schładzania gazu do kondensatu nazywa się kondensacją.
P: Czy superfluidy są również kondensatami Bosego-Einsteina?
O: Tak, superfluidy są również kondensatami Bosego-Einsteina, ale składają się z bozonów zamiast fermionów.
