CONDENSAT FERMIONIC: PROPRIETĂȚI, APLICAȚII ȘI EXEMPLE - FIZIC - 2025

Un condens Fermi este, în sensul cel mai strict, un gaz foarte diluat format din atomi fermionici care au fost supuși unei temperaturi apropiate de zero absolut. În acest fel, și în condiții adecvate, ele trec într-o fază superfluidă, formând o nouă stare de agregare a materiei.

Primul condensat fermionic a fost obținut pe 16 decembrie 2003 în Statele Unite, datorită unei echipe de fizicieni din diverse universități și instituții. Experimentul a folosit aproximativ 500 de mii de atomi de potasiu-40 supuși unui câmp magnetic variabil și la o temperatură de 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Magnet supraconductor. Sursa: pixabay

Această temperatură este considerată aproape de zero absolut și este mult mai scăzută decât temperatura spațiului intergalactic, care este de aproximativ 3 Kelvin. Zero absolut de temperatură este înțeles a fi 0 Kelvin, ceea ce este echivalent cu -273,15 grade Celsius. Deci 3 Kelvin corespund -270,15 grade Celsius.

Unii oameni de știință consideră condensatul fermionic ca fiind starea sexuală a materiei. Primele patru stări sunt cele mai cunoscute pentru toată lumea: solid, lichid, gaz și plasmă.

Anterior, a fost obținută o a cincea stare de materie când s-a obținut un condensat de atomi bosonici. Acest prim condensat a fost creat în 1995 dintr-un rubidiu foarte diluat-87 gaz răcit la 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Importanța temperaturilor scăzute

Atomii se comportă foarte diferit la temperaturi apropiate de zero absolut, în funcție de valoarea momentului lor unghiular intrinsec sau de rotire.

Aceasta împarte particulele și atomii în două categorii:

- Bosonii, care sunt cei cu rotiri întregi (1, 2, 3, …).

- Fermions, care sunt cele cu rotire semi-integrală (1/2, 3/2, 5/2, …).

Bosonii nu au nicio restricție, în sensul că doi sau mai mulți dintre ei pot ocupa aceeași stare cuantică.

Pe de altă parte, fermionurile îndeplinesc principiul excluderii lui Pauli: două sau mai multe fermioni nu pot ocupa aceeași stare cuantică, sau cu alte cuvinte: nu poate exista decât un singur fermion per stat cuantic.

Această diferență fundamentală între bosoni și fermioni face ca condensele fermionice să fie mai greu de obținut decât cele bosonice.

Pentru ca fermionii să ocupe toate cele mai mici niveluri cuantice, este necesar ca acestea să se alinieze în perechi, pentru a forma așa-numitele „perechi Cooper” care au comportament bosonic.

Istoric, fundații și proprietăți

În 1911, când Heike Kamerlingh Onnes a studiat rezistența mercurului supus la temperaturi foarte scăzute, folosind heliu lichid ca agent frigorific, a descoperit că la atingerea temperaturii de 4,2 K (-268,9 Celsius), rezistența a scăzut brusc la zero. .

Primul superconductor fusese găsit într-un mod neașteptat.

Fără să știe acest lucru, HK Onnes a reușit să pună împreună electronii de conducere la cel mai mic nivel cuantic, un fapt care, în principiu, nu este posibil, deoarece electronii sunt fermioni.

Ar fi fost posibil ca electronii să treacă în faza de superfluid în interiorul metalului, dar, deoarece au o sarcină electrică, ei provoacă un flux de sarcină electrică cu viscozitate zero și, prin urmare, cu rezistență electrică zero.

HK Onnes însuși în Leiden, Țările de Jos au descoperit că heliul pe care l-a folosit ca agent frigorific a devenit superfluid când s-a atins temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius).

Fără să știe, HK Onnes a reușit pentru prima dată să reunească atomii de heliu cu care a răcit mercurul la cel mai mic nivel cuantic. În timp, el și-a dat seama că atunci când temperatura era sub o anumită temperatură critică, heliul a trecut în faza superfluidului (vâscozitate zero).

Teoria superconductivității

Helium-4 este un boson și se comportă ca atare, de aceea s-a putut trece de la faza lichidă normală la faza de superfluid.

Cu toate acestea, niciuna dintre acestea nu este considerată un condensat fermionic sau bosonic. În cazul superconductivității, fermionii, ca și electronii, se aflau în rețeaua de cristal a mercurului; iar în cazul heliului superfluid, acesta trecuse de la faza lichidă la faza de superfluid.

Explicația teoretică pentru superconductivitate a venit mai târziu. Este binecunoscuta teorie BCS dezvoltată în 1957.

Teoria afirmă că electronii interacționează cu rețeaua de cristal formând perechi care, în loc să se respingă reciproc, se atrag reciproc, formând „perechi Cooper” care acționează ca bosoni. În acest fel, electronii în ansamblu pot ocupa cele mai mici stări cuantice de energie, atât timp cât temperatura este suficient de scăzută.

Cum se produce un condensat de fermion?

Un fermion legitim sau un condens de boson trebuie să pornească de la un gaz foarte diluat format din atomi fermionici sau bosonici, care este răcit în așa fel încât particulele sale să ajungă la cele mai mici stări cuantice.

Deoarece acest lucru este mult mai complicat decât obținerea unui condens de boson, tocmai recent s-au creat aceste tipuri de condensate.

Fermionii sunt particule sau conglomerate de particule cu jumătate de rotire întregi. Electronul, protonul și neutronul sunt toate particule ½ spin.

Nucleul de heliu-3 (doi protoni și un neutron) se comportă ca un fermion. Atomul neutru al potasiului-40 are 19 protoni + 21 neutroni + 19 electroni, care se adaugă la numărul impar 59, deci se comportă ca un fermion.

Particule mediatoare

Particulele mediatoare ale interacțiunilor sunt bosoni. Printre aceste particule putem numi următoarele:

- Fotoni (mediatori ai electromagnetismului).

- Gluon (mediatori ai interacțiunii nucleare puternice).

- Bosoni Z și W (mediatori ai interacțiunii nucleare slabe).

- Graviton (mediatori ai interacțiunii gravitaționale).

Bosoni compuși

Dintre bosonii compuși se numără:

- Nucleu de deuteriu (1 proton și 1 neutron).

- Atom de heliu-4 (2 protoni + 2 neutroni + 2 electroni).

Ori de câte ori suma protonilor, neutronilor și electronilor unui atom neutru are ca rezultat un număr întreg, comportamentul va fi bosonul.

Cum s-a obținut un condens fermionic

Cu un an înainte de obținerea condensului de fermion, s-a obținut formarea de molecule cu atomi fermionici care au format perechi strâns cuplate, care s-au comportat ca niște bosoni. Totuși, acesta nu este considerat un condensat fermionic pur, ci seamănă mai degrabă cu un condens bosonic.

Dar ceea ce a fost realizat la 16 decembrie 2003, de echipa lui Deborah Jin, Markus Greiner și Cindy Regal de la laboratorul JILA din Boulder, Colorado, a fost formarea unui condensat de perechi de atomi fermionici individuali într-un gaz.

În acest caz, perechea de atomi nu formează o moleculă, ci se mișcă împreună într-un mod corelat. Astfel, în ansamblu, perechea de atomi fermionici acționează ca un boson, prin urmare, condensarea lor a fost obținută.

Pentru a realiza această condensare, echipa JILA a pornit de la un gaz cu potasiu-40 de atomi (care sunt fermioni), care a fost limitat într-o capcană optică la 300 nanokelvină.

Gazul a fost apoi supus unui câmp magnetic oscilant pentru a modifica interacțiunea repulsivă dintre atomi și a-l transforma într-unul atractiv, printr-un fenomen cunoscut sub numele de „rezonanță Fesbach”.

Reglarea corectă a parametrilor câmpului magnetic face posibil ca atomii să formeze perechi de Cooper în loc de molecule. Apoi continuă să se răcească pentru a obține condensul fermionic.

Aplicații și exemple

Tehnologia dezvoltată pentru obținerea condenselor fermionice, în care atomii sunt practic manipulați aproape individual, va permite dezvoltarea calculelor cuantice, printre alte tehnologii.

De asemenea, va îmbunătăți înțelegerea fenomenelor precum superconductivitatea și superfluiditatea, permițând materiale noi cu proprietăți speciale. Mai mult, s-a descoperit că există un punct intermediar între superfluiditatea moleculelor și cea convențională prin formarea perechilor Cooper.

Manipularea atomilor ultracolduri ne va permite să înțelegem diferența dintre aceste două moduri de producere a superfluidelor, ceea ce va duce cu siguranță la dezvoltarea superconductivității la temperaturi ridicate.

De fapt, astăzi există superconductori care, deși nu funcționează la temperatura camerei, lucrează la temperaturi de azot lichid, care este relativ ieftin și ușor de obținut.

Extinzând conceptul de condensate fermionice dincolo de gazele fermionului atomic, numeroase exemple pot fi găsite în cazul în care fermioanele ocupă colectiv nivelurile cuantice cu energie redusă.

Primii după cum s-a spus deja sunt electronii dintr-un superconductor. Acestea sunt fermioane care se aliniază în perechi pentru a ocupa cele mai mici niveluri cuantice la temperaturi scăzute, prezentând un comportament colectiv asemănător bosonicului și reducând viscozitatea și rezistența la zero.

Un alt exemplu de grupare fermionică în stări cu energie redusă este condensatele de quark. De asemenea, atomul de heliu-3 este un fermion, dar la temperaturi scăzute formează perechi Cooper de doi atomi care se comportă ca niște bosoni și prezintă un comportament superfluid.

Referințe

1. K Goral și K Burnett. Fermionic mai întâi pentru condensate. Recuperat de la: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensează. Preluat de la: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers și B Dumé. Fermions condensate debutează. Recuperat de la: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Condensat fermionic. Recuperat de pe Wikiwand.com
5. Wikiwand. Condensat fermionic. Recuperat de pe Wikiwand.com