Fermionisk kondensat (Fermi-kondensat): Definition, opdagelse og egenskaber

Fermionisk kondensat: Opdagelsen af Deborah Jin, superfluid kvantetilstand skabt ved ekstrem afkøling — forklaring af dannelse, egenskaber og betydning inden for kvantefysik.

Et fermionisk kondensat eller fermi-kondensat er en særlig stoftilstand i form af en superfluid-fase, som på flere måder minder om et Bose-Einstein-kondensat, men består af fermioner i stedet for bosoner. Hvor et Bose-Einstein-kondensat dannes, fordi mange bosoner kan besætte den samme kvantetilstand, må fermioner følge Pauli-eksklusionsprincippet og kan ikke være i samme individuelle kvantetilstand. For at få fermioner til at opføre sig kollektivt og danne en kondensatlignende fase, binder de sig typisk i par (dannet fx som Cooper-par), så parrene opfører sig som bosoniske enheder, der kan kondensere.

Opdagelse og eksperiment

Den første eksperimentelle realisering af en fermionisk kondensat blev rapporteret i december 2003 af Deborah Jin og hendes gruppe ved National Institute of Standards and Technology i samarbejde med forskere ved University of Colorado. I deres forsøg afkølede holdet en sky af kalium-40-atomer til ekstremt lave temperaturer – nær det absolutte nulpunkt (-273,15 °C). Temperaturen i sådanne eksperimenter ligger typisk på størrelsesordenen milliontedele Kelvins (microkelvin) eller lavere.

For at skabe og kontrollere interaktionen mellem fermionerne brugte eksperimenterne teknikker som magnetisk feltstyret Feshbach-resonans, som gør det muligt at ændre styrken og tegnet af den effektive vekselvirkning mellem atomer. Ved passende vekselvirkninger kan fermioner parre sig og danne en superfluid tilstand, der kan registreres gennem målinger af fx enkeltpartikelenergier, kollektive excitationsspektre eller ændringer i tæthedens fordeler.

Egenskaber og teoretisk ramme

• Pauli-eksklusionsprincippet: Individuelle fermioner kan ikke dele samme kvantetilstand, hvorfor kondensation af enkeltfermioner ikke forekommer; i stedet dannes par, som kan kondensere.
• Parring og superfluiditet: Når fermioner binder sig i par, kan disse par opføre sig som bosoner og underkastes Bose-kondensation, hvilket giver anledning til superfluiditet (modstandsfri strømning) i systemet.
• BCS–BEC crossover: Fermioniske kondensater viser et kontinuum mellem to limittilstande: BCS-typen (svagt bundne, store Cooper-par, som i konventionel superledere) og BEC-typen (stærkt bundne, kompakte par). Ved at justere vekselvirkningen eksperimentelt kan man studere overgangen mellem disse regime.
• Kvantemekaniske effekter: Fermi-kondensater er ideelle systemer til at studere mangelegemekvantemekanik, korrelationer og kvantephaseovergange i kontrollerede laboratoriemiljøer.

Teknikker og atomer

Forskere bruger typisk kolde atomeksperimenter kombinerende laserafkøling, magnetisk eller optisk fælde og evaporativ afkøling for at nå de nødvendige lave temperaturer. De mest almindelige fermioniske isotoper i disse studier er kalium-40 og lithium-6, fordi deres magnetiske og kollisionsmæssige egenskaber gør dem velegnede til at styre vekselvirkningen med Feshbach-resonanser.

Betydning og anvendelser

Studiet af fermi-kondensater har væsentlig teoretisk og praktisk betydning. Det giver indblik i mekanismer bag superledning og superfluiditet, hjælper med at teste mange-krops-teorier og fungerer som et kontrolleret eksperimentelt laboratorium for modeller, som også er relevante for sammenhængende materialer og astrofysiske systemer (fx neutronstjerner). Desuden bruges kolde fermiongasser som kvantesimulatorer til at undersøge komplekse kvantefænomener, som er svære at beregne numerisk.

Opsummering

Et fermi-kondensat er altså en superfluid stoftilstand af fermioner, opnået ved lav temperatur og passende interaktioner, hvor fermionerne danner par og opfører sig kollektivt. Opdagelsen og undersøgelsen af disse systemer har udvidet vores forståelse af kvantematerialer og mangekropsfysik og fortsætter med at være et aktivt forskningsområde.

Forskellen mellem fermioner og bosoner

Bosoner og fermioner er subatomare partikler (dele af stof, der er mindre end et atom). Forskellen mellem en boson og en fermion er antallet af atomets elektroner, neutroner og/eller protoner. Et atom er sammensat af bosoner, hvis det har et lige antal elektroner. Et atom er sammensat af fermioner, hvis det har et ulige antal elektroner, neutroner og protoner. Et eksempel på en boson ville være en gluon. Et eksempel på en fermion er kalium-40, som Deborah Jin brugte som gassky. Bosoner kan danne klumper og tiltrækkes af hinanden, mens fermioner ikke danner klumper. Fermioner findes normalt i lige strenge, fordi de frastøder hinanden. Det skyldes, at fermioner adlyder Pauli-eksklusionsprincippet, som siger, at de ikke kan samles i samme kvantetilstand.

Dette er standardmodellen for elementarpartikler, som normalt blot kaldes standardmodellen.

Superledelse og fermioniske kondensater

Et andet beslægtet fænomen er superledning. I superledning kan parrede elektroner flyde med 0 viskositet. Der er en vis interesse for superledning, da det kan være en billigere og renere kilde til elektricitet. Den kunne også bruges til at drive svævende tog og svævebiler.

Men det kan kun ske, hvis forskerne kan skabe eller opdage materialer, der er superledere ved stuetemperatur. Faktisk vil den, der formår at fremstille en superleder ved stuetemperatur, få en Nobelpris. Lige nu er problemet, at forskerne er nødt til at arbejde med superledere ved ca. -135 °C. Dette indebærer brug af flydende nitrogen og andre metoder til at lave ekstremt kolde temperaturer. Dette er naturligvis et besværligt arbejde, og derfor foretrækker forskerne at bruge superledere ved stuetemperatur. Fru Jins hold mener, at hvis man erstatter de parrede elektroner med parrede fermioner, vil det resultere i en superleder ved stuetemperatur.

Superledning. Dette er Meissner-effekten.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er et fermionisk kondensat?

Sp: Hvordan adskiller fermi-kondensater sig fra Bose-Einstein-kondensater?

Sp: Kan fermi-kondensater forekomme naturligt?

Spørgsmål: Hvem skabte det første fermi-kondensat?

Spørgsmål: Ved hvilken temperatur blev det første fermi-kondensat skabt?

Sp: Hvad kaldes processen med at afkøle en gas til et kondensat?

Spørgsmål: Er superfluider også Bose-Einstein-kondensater?

Søg efter bogstav