- Die Bedeutung niedriger Temperaturen
- Geschichte, Fundamente und Eigenschaften
- Die Theorie der Supraleitung
- Wie entsteht ein Fermionkondensat?
- Mediatorpartikel
- Zusammengesetzte Bosonen
- Wie ein fermionisches Kondensat erhalten wurde
- Anwendungen und Beispiele
- Verweise
Ein Fermi-Kondensat ist im strengsten Sinne ein sehr verdünntes Gas aus fermionischen Atomen, die einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt ausgesetzt wurden. 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 & supmin; & sup8; Kelvin ausgesetzt waren .
Supraleitender Magnet. Quelle: pixabay
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 wird als 0 Kelvin verstanden, 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 & supmin; & sup8; Kelvin abgekühlt war .
Die Bedeutung niedriger Temperaturen
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 mit halb-ganzzahligem Spin (1/2, 3/2, 5/2,…).
Bosonen haben keine Einschränkungen in dem Sinne, dass zwei oder mehr von ihnen denselben Quantenzustand einnehmen können.
Andererseits erfüllen Fermionen das 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 Fermionen alle niedrigeren Quantenniveaus einnehmen können, müssen sie sich zuvor paarweise ausrichten, um die sogenannten „Cooper-Paare“ mit bosonischem Verhalten zu bilden.
Geschichte, Fundamente und Eigenschaften
Als Heike Kamerlingh Onnes 1911 die Beständigkeit von Quecksilber bei sehr niedrigen Temperaturen unter Verwendung von flüssigem Helium als Kältemittel 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, war es HK Onnes gelungen, die Leitungselektronen alle auf dem niedrigsten Quantenniveau zusammenzufassen, was im Prinzip nicht möglich ist, da die Elektronen Fermionen sind.
Es war möglich gewesen, dass die Elektronen in die superfluide Phase innerhalb des Metalls gelangten, aber da sie eine elektrische Ladung haben, verursachen sie einen Strom elektrischer Ladung mit einer Viskosität von Null und folglich einem elektrischen Widerstand von Null.
HK Onnes selbst in Leiden, Niederlande, hatte festgestellt, dass das Helium, das er als Kältemittel verwendete, bei Erreichen der Temperatur von 2,2 K (-270,9 Grad Celsius) überflüssig wurde.
Ohne es zu wissen, war es HK Onnes zum ersten Mal 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.
Die Theorie der Supraleitung
Helium-4 ist ein Boson und verhält sich als solches, so dass 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.
Wie entsteht ein Fermionkondensat?
Ein legitimes Fermion- oder Boson-Kondensat muss von einem sehr verdünnten Gas aus fermionischen oder bosonischen Atomen ausgehen, das so gekühlt wird, dass seine Teilchen alle in die niedrigsten Quantenzustände gelangen.
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.
Mediatorpartikel
Die vermittelnden Teilchen der Wechselwirkungen sind Bosonen. Unter diesen Partikeln können wir Folgendes benennen:
- Photonen (Mediatoren des Elektromagnetismus).
- Gluon (Mediatoren starker nuklearer Interaktion).
- Bosonen Z und W (Mediatoren schwacher nuklearer Wechselwirkung).
- Graviton (Mediatoren der Gravitationswechselwirkung).
Zusammengesetzte Bosonen
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.
Wie ein fermionisches Kondensat erhalten wurde
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 ein attraktives zu verwandeln.
Durch geeignete Anpassung der Parameter des Magnetfelds können die Atome Cooper-Paare anstelle von Molekülen bilden. Dann kühlt es weiter ab, um das fermionische Kondensat zu erhalten.
Anwendungen und Beispiele
Die Technologie zur Entwicklung fermionischer Kondensate, bei der Atome praktisch individuell manipuliert werden, ermöglicht unter anderem die Entwicklung des Quantencomputers.
Es wird auch das Verständnis von Phänomenen wie Supraleitung und Superfluidität verbessern und neue Materialien mit besonderen Eigenschaften ermöglichen. Weiterhin 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 der fermionischen Kondensate über die atomaren Fermiongase 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 Gruppierung in Niedrigenergiezuständen sind Quarkkondensate. Auch das Helium-3-Atom ist eine Fermion, aber bei niedrigen Temperaturen bildet es Cooper-Paare von zwei Atomen, die sich wie Bosonen verhalten und ein Superfluid-Verhalten zeigen.
Verweise
- K Goral und K Burnett. Fermionisch zuerst für Kondensate. Wiederhergestellt von: physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensiert. Abgerufen von: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers und B Dumé. Fermionskondensat feiert sein Debüt. Wiederhergestellt von: physicsworld.com.
- Wikiwand. Fermionisches Kondensat. Von Wikiwand.com wiederhergestellt
- Wikiwand. Fermionisches Kondensat. Von Wikiwand.com wiederhergestellt