EIN Fermi-Kondensat es ist im strengsten Sinne ein sehr verdünntes Gas aus fermionischen Atomen, das einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt ausgesetzt wurde. Auf diese Weise und unter geeigneten Bedingungen gehen sie in eine superfluide Phase über und bilden einen neuen Aggregatzustand der Materie..
Das erste fermionische Kondensat wurde am 16. Dezember 2003 in den USA dank eines Teams von Physikern verschiedener Universitäten und Institutionen erhalten. Das Experiment verwendete ungefähr 500.000 Kalium-40-Atome, die einem variablen Magnetfeld und einer Temperatur von 5 × 10 ausgesetzt waren-8 Kelvin.
Diese Temperatur wird als nahe am absoluten Nullpunkt angesehen und ist weitaus niedriger als die Temperatur des intergalaktischen Raums, die etwa 3 Kelvin beträgt. Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist 0 Kelvin, was -273,15 Grad Celsius entspricht. 3 Kelvin entsprechen also -270,15 Grad Celsius.
Einige Wissenschaftler betrachten fermionisches Kondensat als den Geschlechtszustand der Materie. Die ersten vier Zustände sind allen bekannt: fest, flüssig, gasförmig und Plasma..
Zuvor war ein fünfter Materiezustand erhalten worden, als ein Kondensat von Bosonatomen erreicht wurde. Dieses erste Kondensat wurde 1995 aus einem sehr verdünnten Rubidium-87-Gas hergestellt, das auf 17 x 10 abgekühlt war-8 Kelvin.
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Atome verhalten sich bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt sehr unterschiedlich, abhängig vom Wert ihres intrinsischen Drehimpulses oder Spin..
Dies unterteilt Teilchen und Atome in zwei Kategorien:
- Die Bosonen, die solche mit ganzzahligem Spin sind (1, 2, 3, ...).
- Fermionen, bei denen es sich um solche mit halb ganzzahligem Spin handelt (1/2, 3/2, 5/2, ...).
Die Bosonen haben keine Einschränkung in dem Sinne, dass zwei oder mehr von ihnen den gleichen Quantenzustand einnehmen können.
Andererseits entsprechen Fermionen dem Pauli-Ausschlussprinzip: Zwei oder mehr Fermionen können nicht denselben Quantenzustand einnehmen, oder mit anderen Worten: Es kann nur eine Fermion pro Quantenzustand geben.
Dieser grundlegende Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen macht es schwieriger, fermionische Kondensate zu erhalten als bosonische..
Damit die Fermionen alle niedrigsten Quantenniveaus einnehmen können, ist es notwendig, dass sie sich zuvor paarweise ausrichten, um das sogenannte "Cooper-PaareWelche haben bosonisches Verhalten.
Bereits 1911, als Heike Kamerlingh Onnes die Beständigkeit von Quecksilber bei sehr niedrigen Temperaturen unter Verwendung von flüssigem Helium als Kühlmittel untersuchte, stellte er fest, dass die Beständigkeit bei Erreichen der Temperatur von 4,2 K (-268,9 Grad Celsius) abrupt auf Null abfiel..
Der erste Supraleiter war auf unerwartete Weise gefunden worden.
Ohne es zu wissen, hat H.K. Onnes hatte es geschafft, die Leitungselektronen alle zusammen auf das niedrigste Quantenniveau zu bringen, was im Prinzip nicht möglich ist, weil die Elektronen Fermionen sind..
Es wurde erreicht, dass die Elektronen in die superfluide Phase innerhalb des Metalls gelangten, aber da sie eine elektrische Ladung haben, verursachen sie einen elektrischen Ladungsfluss mit einer Viskosität von Null und folglich einem elektrischen Widerstand von Null..
H.K. Onnes in Leiden, Niederlande, hatte festgestellt, dass das als Kältemittel verwendete Helium bei Erreichen der Temperatur von 2,2 K (-270,9 Grad Celsius) überflüssig wurde..
Ohne es zu wissen, hat H.K. Zum ersten Mal war es Onnes gelungen, die Heliumatome zusammenzubringen, mit denen er das Quecksilber auf das niedrigste Quantenniveau abkühlte. Im Vorbeigehen stellte er auch fest, dass das Helium in die Superfluidphase (Viskosität Null) überging, wenn die Temperatur unter einer bestimmten kritischen Temperatur lag..
Helium-4 ist ein Boson und verhält sich so, weshalb es möglich war, von der normalen flüssigen Phase in die superfluide Phase überzugehen.
Keines davon wird jedoch als fermionisches oder bosonisches Kondensat angesehen. Im Fall der Supraleitung befanden sich Fermionen wie Elektronen im Kristallgitter von Quecksilber; und im Fall von superfluidem Helium war es von der flüssigen Phase in die superfluide Phase übergegangen.
Die theoretische Erklärung für die Supraleitung kam später. Es ist die bekannte BCS-Theorie, die 1957 entwickelt wurde.
Die Theorie besagt, dass Elektronen mit dem Kristallgitter interagieren und Paare bilden, die sich nicht abstoßen, sondern anziehen und „Cooper-Paare“ bilden, die als Bosonen wirken. Auf diese Weise können die Elektronen als Ganzes die Quantenzustände mit der niedrigsten Energie einnehmen, solange die Temperatur niedrig genug ist..
Ein legitimes Fermion- oder Boson-Kondensat muss aus einem sehr verdünnten Gas aus fermionischen oder bosonischen Atomen stammen, das so gekühlt wird, dass seine Teilchen alle in die niedrigsten Quantenzustände übergehen..
Da dies viel komplizierter ist als das Erhalten eines Boson-Kondensats, wurden diese Arten von Kondensaten erst vor kurzem erzeugt..
Fermionen sind Partikel oder Konglomerate von Partikeln mit halb ganzem Spin. Das Elektron, das Proton und das Neutron sind alle ½ Spinpartikel..
Der Kern von Helium-3 (zwei Protonen und ein Neutron) verhält sich wie eine Fermion. Das neutrale Atom von Kalium-40 hat 19 Protonen + 21 Neutronen + 19 Elektronen, die sich zu der ungeraden Zahl 59 addieren, so dass es sich wie eine Fermion verhält.
Die vermittelnden Teilchen der Wechselwirkungen sind Bosonen. Unter diesen Partikeln können wir Folgendes benennen:
- Photonen (Mediatoren des Elektromagnetismus).
- Gluon (Vermittler starker nuklearer Interaktion).
- Z- und W-Bosonen (Mediatoren schwacher nuklearer Wechselwirkung).
- Graviton (Mediatoren der Gravitationswechselwirkung).
Unter den zusammengesetzten Bosonen sind die folgenden:
- Deuteriumkern (1 Proton und 1 Neutron).
- Helium-4-Atom (2 Protonen + 2 Neutronen + 2 Elektronen).
Immer wenn die Summe der Protonen, Neutronen und Elektronen eines neutralen Atoms zu einer ganzen Zahl führt, ist das Verhalten Boson.
Ein Jahr vor dem Erreichen des Fermionkondensats war die Bildung von Molekülen mit fermionischen Atomen erreicht worden, die eng gekoppelte Paare bildeten, die sich wie Bosonen verhielten. Dies wird jedoch nicht als reines fermionisches Kondensat angesehen, sondern ähnelt eher einem Bosonischen Kondensat.
Am 16. Dezember 2003 gelang dem Team von Deborah Jin, Markus Greiner und Cindy Regal vom JILA-Labor in Boulder, Colorado, die Bildung eines Kondensats aus Paaren einzelner fermionischer Atome in einem Gas..
In diesem Fall bilden die Atome kein Molekül, sondern bewegen sich korreliert zusammen. Somit wirkt das Paar fermionischer Atome insgesamt als Boson, weshalb ihre Kondensation erreicht wurde..
Um diese Kondensation zu erreichen, ging das JILA-Team von einem Gas mit Kalium-40-Atomen (Fermionen) aus, das in einer optischen Falle bei 300 Nanokelvin eingeschlossen war..
Das Gas wurde dann einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt, um die abstoßende Wechselwirkung zwischen Atomen zu verändern und es durch ein als "Fesbach-Resonanz" bekanntes Phänomen in eine attraktive Wechselwirkung umzuwandeln..
Durch die richtige Einstellung der Parameter des Magnetfelds können die Atome Cooper-Paare anstelle von Molekülen bilden. Dann kühlt es weiter ab, um das fermionische Kondensat zu erhalten.
Die Technologie, die entwickelt wurde, um fermionische Kondensate zu erhalten, bei denen Atome praktisch individuell manipuliert werden, wird unter anderem die Entwicklung von Quantencomputern ermöglichen..
Es wird auch das Verständnis von Phänomenen wie Supraleitung und Superfluidität verbessern und neue Materialien mit besonderen Eigenschaften ermöglichen. Zusätzlich wurde entdeckt, dass es einen Zwischenpunkt zwischen der Superfluidität der Moleküle und der konventionellen durch die Bildung von Cooper-Paaren gibt.
Die Manipulation ultrakalter Atome wird es uns ermöglichen, den Unterschied zwischen diesen beiden Arten der Herstellung von Superfluiden zu verstehen, was sicherlich zur Entwicklung einer Hochtemperatursupraleitung führen wird.
Tatsächlich gibt es heute Supraleiter, die zwar nicht bei Raumtemperatur arbeiten, aber bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff, der relativ billig und leicht zu erhalten ist..
Durch die Erweiterung des Konzepts fermionischer Kondensate über Fermion-Atomgase hinaus finden sich zahlreiche Beispiele, bei denen Fermionen gemeinsam energiearme Quantenniveaus einnehmen..
Die ersten sind, wie bereits gesagt, die Elektronen in einem Supraleiter. Dies sind Fermionen, die sich paarweise ausrichten, um bei niedrigen Temperaturen die niedrigsten Quantenniveaus einzunehmen, ein kollektives bosonisches Verhalten zeigen und die Viskosität und den Widerstand auf Null reduzieren..
Ein weiteres Beispiel für eine fermionische Clusterbildung in Niedrigenergiezuständen sind Quarkkondensate. Das Helium-3-Atom ist ebenfalls eine Fermion, bildet jedoch bei niedrigen Temperaturen Cooper-Paare aus zwei Atomen, die sich wie Bosonen verhalten und ein Superfluid-Verhalten zeigen..
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