Fermiho kondenzát: definícia, vlastnosti a objav Deborah Jin (2003)
Fermiho kondenzát: definícia, kľúčové vlastnosti a historický objav Deborah Jin (2003) – ochladenie draslíka‑40 pri extrémnych teplotách a význam pre kvantovú fyziku.
Vlastnosti fermiho kondenzátu
- Superfluidita: kondenzát môže vykazovať bezviskózne prúdenie a ďalšie znaky supratekutosti podobné superprevodivosti v elektronových systémoch. - Párovanie: základom je vznik párov fermiónov (analóg Cooperových párov v BCS teórii). V závislosti od sily väzby sa systémy pohybujú medzi BEC limitom (silné páry, lokálne viazané molekuly) a BCS limitom (slabé, široko rozložené páry) — tzv. BEC–BCS crossover. - Kvantová koherencia: makroskopický kvantový stav s fázovou koherenciou a charakteristickým energetickým pádom (gap) v excitáciách párov. - Ľahká nastaviteľnosť: v ultrachladných plynoch je možné experimentálne ladit interakcie, teplotu a hustotu, čo umožňuje študovať silne korelované kvantové sústavy v kontrolovaných podmienkach.Objav Deborah Jin (2003) a experimentálne metódy
Tento stav bol dosiahnutý v decembri 2003 Deborah Jin a jej skupinou. Jin pracovala pre Národný inštitút pre štandardy a technológie na Coloradskej univerzite. Jej tím vytvoril tento stav hmoty ochladením oblaku atómov draslíka-40 na menej ako milióntinu °C nad absolútnu nulu (-273,15 °C, čo je hypotetická najnižšia hranica fyzikálnych teplôt). Na dosiahnutie takýchto nízkych teplôt sa v takýchto experimentoch kombinujú metódy laserového chladenia, dipólové alebo magnetické pasce a následné ochladzovanie pomocou evaporácie; interakcie medzi atómami sa potom ladia pomocou Feshbachovej rezonancie, čím sa umožní tvorba stabilných párov fermiónov. Deborah Jin a jej kolegovia pozorovali kondenzáciu párov fermiónov — teda kolektívne správanie, ktoré jasne preukázalo vznik fermiho kondenzátu. Tento výsledok bol významný, pretože poskytol nový, veľmi čistý experimentálny model na štúdium silne korelovaných fermiónových systémov a BEC–BCS crossoveru.Význam a aplikácie
Štúdium fermiho kondenzátu má silný prepojenie s ďalšími oblasťami fyziky: pomáha pochopiť mechanizmy supravodivosti a superfluidity, poskytuje modely pre kvantové many-body problémy, a je relevantné pri teóriách popisujúcich husté fermiónové systémy (napr. vnútro neutrónových hviezd). Ultrachladné fermiónové plyny sú tiež cenným testovacím políčkom pre experimentálnu a teoretickú fyziku kvantových sústav. Celkovo fermiho kondenzát predstavuje kľúčový príklad, ako kvantové štatistické vlastnosti častíc a riadené interakcie vedú k novým kolektívnym stavom hmoty, ktoré sa dajú experimentálne pripraviť a detailne študovať.
Deborah Jin
Albert Einstein, jeden z dvoch mužov, ktorí v 20. rokoch 20. storočia vyslovili hypotézu o Boseho-Einsteinovom kondenzáte.
Satyendra Nath Bose, muž, ktorý v spolupráci s Einsteinom prišiel s myšlienkou Boseho-Einsteinových kondenzátov. Je známy aj vďaka svojej Boseho-Einsteinovej štatistike.
Rozdiel medzi fermónmi a bozónmi
Bosóny a fermóny sú subatomárne častice (častice hmoty menšie ako atóm). Rozdiel medzi bozónom a fermiónom je v počte elektrónov, neutrónov a/alebo protónov atómu. Atóm je zložený z bozónov, ak má párny počet elektrónov. Atóm je zložený z fermiónov, ak má nepárny počet elektrónov, neutrónov a protónov. Príkladom bozónu je gluón. Príkladom fermiónu by bol draslík 40, ktorý Deborah Jin použil ako plynný oblak. Bosóny môžu vytvárať zhluky a sú navzájom priťahované, zatiaľ čo fermóny zhluky nevytvárajú. Fermióny sa zvyčajne nachádzajú v priamych reťazcoch, pretože sa navzájom odpudzujú. Je to preto, lebo fermóny sa riadia Pauliho vylučovacím princípom, ktorý hovorí, že sa nemôžu zhromaždiť v tom istom kvantovom stave.
Ide o štandardný model elementárnych častíc, ktorý sa zvyčajne označuje len ako štandardný model.
Podobnosť s Boseho-Einsteinovým kondenzátom
Podobne ako Boseho-Einsteinove kondenzáty, aj Fermiho kondenzáty koalescenujú (zrastú do jedného celku) s časticami, ktoré ich tvoria. Boseho-Einsteinove kondenzáty a Fermiho kondenzáty sú tiež stavy hmoty vytvorené človekom. Častice, ktoré tvoria tieto stavy hmoty, musia byť umelo podchladené, aby mali také vlastnosti, aké majú. Fermiho kondenzáty však dosiahli ešte nižšie teploty ako Boseho-Einsteinove kondenzáty. Oba stavy hmoty tiež nemajú žiadnu viskozitu, čo znamená, že môžu prúdiť bez zastavenia.
Hélium-3 a fermóny
Vytvorenie Fermiho kondenzátu je veľmi ťažké. Fermióny sa riadia vylučovacím princípom a navzájom sa nepriťahujú. Vzájomne sa odpudzujú. Jin a jej výskumný tím našli spôsob, ako ich spojiť. Upravili a aplikovali magnetické pole na antisociálne fermióny, takže začali strácať svoje vlastnosti. Fermóny si stále zachovali časť svojho charakteru, ale správali sa trochu ako bozóny. Pomocou toho sa im podarilo dosiahnuť, aby sa oddelené dvojice fermiónov navzájom zlučovali znova a znova. Pani Jin má podozrenie, že tento proces párovania prebieha rovnako aj v héliu-3, ktoré je tiež supratekutým materiálom. Na základe týchto informácií môžu vysloviť hypotézu (urobiť kvalifikovaný odhad), že fermionické kondenzáty budú prúdiť aj bez akejkoľvek viskozity.
Supravodivosť a fermionické kondenzáty
Ďalším súvisiacim javom je supravodivosť. Pri supravodivosti môžu párové elektróny prúdiť s viskozitou 0. O supravodivosť je pomerne veľký záujem, pretože môže byť lacnejším a čistejším zdrojom elektrickej energie. Mohla by sa použiť aj na pohon levitujúcich vlakov a vznášajúcich sa áut.
To sa však môže stať len vtedy, ak vedci vytvoria alebo objavia materiály, ktoré sú supravodičmi pri izbovej teplote. Nobelova cena bude udelená tomu, komu sa podarí vytvoriť supravodič pri izbovej teplote. V súčasnosti je problém v tom, že vedci musia pracovať so supravodičmi pri teplote okolo -135 °C. To zahŕňa použitie tekutého dusíka a iných metód na dosiahnutie extrémne nízkych teplôt. To je samozrejme zdĺhavá práca, preto vedci radšej používajú supravodiče pri izbovej teplote. Tím pani Jin si myslí, že nahradením párových elektrónov párovými fermionmi by vznikol supravodič pri izbovej teplote.
Supravodivosť. Ide o Meissnerov efekt.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to fermiónový kondenzát?
Odpoveď: Fermionický kondenzát je stav hmoty, ktorý je podobný Boseho-Einsteinovmu kondenzátu, ale skladá sa z fermiónov namiesto bozónov.
Otázka: Čím sa fermiové kondenzáty líšia od Boseho-Einsteinových kondenzátov?
Odpoveď: Fermiho kondenzáty sú antisociálne a navzájom sa nepriťahujú, zatiaľ čo Boseho-Einsteinove kondenzáty sú sociálne a priťahujú sa do skupín alebo zhlukov.
Otázka: Môžu sa Fermiho kondenzáty vyskytovať prirodzene?
Odpoveď: Nie, Fermiho kondenzáty musia byť vytvorené umelo prostredníctvom procesu kondenzácie, rovnakého procesu, ktorý sa používa na vytvorenie Boseho-Einsteinových kondenzátov.
Otázka: Kto vytvoril prvý Fermiho kondenzát?
Odpoveď: Deborah Jin a jej tím z Národného inštitútu pre štandardy a technológie na Coloradskej univerzite vytvorili prvý fermiho kondenzát v decembri 2003.
Otázka: Pri akej teplote bol vytvorený prvý Fermiho kondenzát?
Odpoveď: Prvý Fermiho kondenzát bol vytvorený ochladením oblaku atómov draslíka-40 na menej ako milióntinu °C nad absolútnu nulu (-273,15 °C), čo je rovnaká teplota, aká je potrebná na vytvorenie Boseho-Einsteinovho kondenzátu.
Otázka: Ako sa nazýva proces ochladzovania plynu na kondenzát?
Odpoveď: Proces ochladzovania plynu na kondenzát sa nazýva kondenzácia.
Otázka: Sú supratekuté látky tiež Boseho-Einsteinove kondenzáty?
Odpoveď: Áno, supratekutiny sú tiež Boseho-Einsteinove kondenzáty, ale pozostávajú z bozónov namiesto fermiónov.
Prehľadať