Fermionikus kondenzátum
A fermionikus kondenzátum vagy fermi-kondenzátum egy olyan anyagállapot (szuperfolyékony fázis), amely nagyon hasonlít a Bose-Einstein-kondenzátumhoz. A szuperfolyadékok is Bose-Einstein-kondenzátumok.
Az egyetlen különbség az, hogy a Bose-Einstein-kondenzátumok bozonokból állnak, és társas kapcsolatban vannak egymással (csoportokban, vagy csomókban). A Fermi-kondenzátumok antiszociálisak (egyáltalán nem vonzzák egymást). Ezt mesterségesen kell elérni.
Ezt az állapotot 2003 decemberében Deborah Jin és csoportja hozta létre. Jin a Coloradói Egyetem Nemzeti Szabványügyi és TechnológiaiIntézetének dolgozott. Csapata úgy hozta létre ezt az anyagállapotot, hogy kálium-40 atomokból álló felhőt az abszolút nulla foknál kevesebb, mint egy milliomod °C-ra (-273,15 °C, ez a fizikai hőmérséklet hipotetikus legalacsonyabb határa) hűtött le. Ez ugyanaz a hőmérséklet, amely az anyag Bose-Einstein-kondenzátummá hűtéséhez szükséges. A gáz kondenzátummá hűtésének folyamatát kondenzációnak nevezzük.
Deborah Jin
Albert Einstein, a Bose-Einstein-kondenzátumokat feltételező két ember egyike az 1920-as években.
Satyendra Nath Bose, aki Einsteinnel együtt dolgozott a Bose-Einstein-kondenzátumok ötletén. A Bose-Einstein-statisztikáról is híres.
A fermionok és bozonok közötti különbség
A bozonok és fermionok szubatomi részecskék (az atomnál kisebb anyagdarabok). A bozon és a fermion közötti különbség az atom elektronjainak, neutronjainak és/vagy protonjainak száma. Egy atom bozonokból áll, ha páros számú elektronnal rendelkezik. Az atom fermionokból áll, ha páratlan számú elektronja, neutronja és protonja van. A bozonra példa a gluon. A fermionra példa a kálium-40, amit Deborah Jin gázfelhőként használt. A bozonok képesek csomókat alkotni, és vonzzák egymást, míg a fermionok nem alkotnak csomókat. A fermionok általában egyenes szálakban találhatók, mert taszítják egymást. Ez azért van, mert a fermionok engedelmeskednek a Pauli-féle kizárási elvnek, amely szerint nem gyűlhetnek össze ugyanabban a kvantumállapotban.
Ez az elemi részecskék standard modellje, amelyet általában csak standard modellként emlegetnek.
Hasonlóság a Bose-Einstein-kondenzátumhoz
A Bose-Einstein-kondenzátumokhoz hasonlóan a fermi-kondenzátumok is összeolvadnak (egyetlen egésszé nőnek össze) az őket alkotó részecskékkel. A Bose-Einstein-kondenzátumok és a fermi-kondenzátumok is mindkettő ember által létrehozott anyagállapot. Az ezeket az anyagállapotokat alkotó részecskéket mesterségesen szuperhűteni kell, hogy olyan tulajdonságokkal rendelkezzenek, amilyenekkel rendelkeznek. A fermi-kondenzátumok azonban még alacsonyabb hőmérsékletet is elértek, mint a Bose-Einstein-kondenzátumok. Emellett mindkét anyagállapotnak nincs viszkozitása, ami azt jelenti, hogy megállás nélkül áramolhatnak.
Hélium-3 és fermionok
Fermi kondenzátumot létrehozni nagyon nehéz. A fermionok engedelmeskednek a kizárási elvnek, és nem vonzzák egymást. Taszítják egymást. Jin és kutatócsoportja megtalálta a módját annak, hogy összeolvadjanak. Beállítottak és mágneses mezőt alkalmaztak az antiszociális fermionokra, így azok elkezdték elveszíteni a tulajdonságaikat. A fermionok még mindig megtartották karakterük egy részét, de egy kicsit úgy viselkedtek, mint a bozonok. Ezt felhasználva képesek voltak arra, hogy különálló fermionpárokat újra és újra összeolvasztanak egymással. Jin asszony azt gyanítja, hogy ez a párosodási folyamat a hélium-3-ban, amely szintén szuperfolyékony anyag. Ezen információk alapján feltehetik (megalapozottan megtippelhetik), hogy a fermionikus kondenzátumok is viszkozitás nélkül áramlanak.
Szupravezetés és fermionikus kondenzátumok
Egy másik kapcsolódó jelenség a szupravezetés. A szupravezetésben a páros elektronok 0 viszkozitással áramolhatnak. A szupravezetés iránt elég nagy az érdeklődés, mivel olcsóbb és tisztább áramforrást jelenthet. A lebegő vonatok és lebegőautók meghajtására is felhasználható lenne.
Ez azonban csak akkor valósulhat meg, ha a tudósok képesek olyan anyagokat létrehozni vagy felfedezni, amelyek szobahőmérsékleten szupravezetők. Valójában Nobel-díjat kap az, akinek sikerül szobahőmérsékletű szupravezetőt készítenie. Jelenleg az a probléma, hogy a tudósoknak -135 °C körüli hőmérsékletű szupravezetőkkel kell dolgozniuk. Ehhez folyékony nitrogént és más módszereket kell alkalmazniuk, hogy rendkívül hideg hőmérsékletet érjenek el. Ez természetesen fárasztó munka, ezért a tudósok inkább szobahőmérsékletű szupravezetőket használnak. Jin asszony csapata úgy gondolja, hogy a páros elektronok páros fermionokkal való helyettesítése szobahőmérsékletű szupravezetőt eredményezne.
Szupravezetés. Ez a Meissner-hatás.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a fermionikus kondenzátum?
V: A fermionikus kondenzátum olyan anyagállapot, amely hasonló a Bose-Einstein-kondenzátumhoz, de bozonok helyett fermionokból áll.
K: Miben különböznek a fermiakondenzátumok a Bose-Einstein-kondenzátumoktól?
V: A fermi-kondenzátumok antiszociálisak és nem vonzzák egymást, míg a Bose-Einstein-kondenzátumok szociálisak és csoportokban vagy csomókban vonzzák egymást.
K: Előfordulhatnak-e fermi-kondenzátumok a természetben?
V: Nem, a fermi-kondenzátumokat mesterségesen kell létrehozni a kondenzációs folyamat révén, ugyanezt a folyamatot használják a Bose-Einstein-kondenzátumok létrehozására.
K: Ki hozta létre az első fermi-kondenzátumot?
V: Deborah Jin és csapata a Coloradói Egyetem Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetében 2003 decemberében hozta létre az első fermi-kondenzátumot.
K: Milyen hőmérsékleten jött létre az első fermi-kondenzátum?
V: Az első fermi-kondenzátumot úgy hozták létre, hogy kálium-40 atomok felhőjét az abszolút nulla foknál kevesebb, mint egy milliomod °C-ra (-273,15 °C) hűtötték le, ugyanarra a hőmérsékletre, amely a Bose-Einstein-kondenzátum létrehozásához szükséges.
K: Hogyan nevezik azt a folyamatot, amikor egy gáz kondenzátummá hűl?
V: A gáz kondenzátummá hűtésének folyamatát kondenzációnak nevezzük.
K: A szuperfolyadékok is Bose-Einstein-kondenzátumok?
V: Igen, a szuperfolyadékok is Bose-Einstein-kondenzátumok, de fermionok helyett bozonokból állnak.
