Proprietà, applicazioni ed esempi di condensa fermioniche

UN Condensa di fermi È, nel senso più stretto, un gas molto diluito formato da atomi fermionici che hanno subito una temperatura vicina allo zero assoluto. In questo modo, e in condizioni adeguate, vanno in una fase superflua, formando un nuovo stato di aggregazione della materia.

La prima condensa fermionica è stata ottenuta il 16 dicembre 2003 negli Stati Uniti, grazie a una squadra di fisici di diverse università e istituzioni. L'esperimento ha utilizzato circa 500 mila atomi di potassio-40 in un campo magnetico variabile e ad una temperatura di 5 x 10^-8 Kelvin.

Magnete superconduttore. Fonte: Pixabay

Questa temperatura è considerata vicino allo zero assoluto ed è molto più bassa della temperatura dello spazio intergalattico, che è di circa 3 kelvin. La temperatura assoluta zero è intesa come 0 Kelvin è raggiunta equivalente a -273,15 gradi Celsius. Quindi 3 Kelvin corrispondono a -270,15 gradi Celsius.

Alcuni scienziati ritengono che la condensa fermionica sia lo stato del sesso della materia. I primi quattro stati sono più familiari a tutti: solido, liquido, gas e plasma.

In precedenza, era stato ottenuto un quinto stato di materia quando era raggiunta una condensa di atomi bosonici. Questa prima condensa è stata creata nel 1995 da un gas molto diluito di Rubidio-87 raffreddato a 17 x 10^-8 Kelvin.

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L'importanza di basse temperature

Gli atomi si comportano in modo molto diverso a temperature vicine allo zero assoluto, a seconda del valore del suo intrinseco momento angolare o spin.

Questo divide particelle e atomi in due categorie:

- I Bosoni, che sono quelli che hanno un intero giro (1, 2, 3, ...).

- Fermioni, che sono quelli che hanno uno spin semi -incendio (1/2, 3/2, 5/2, ...).

I bosoni non hanno restrizioni, nel senso che due o più di loro possano occupare lo stesso stato quantico.

D'altra parte, i fermioni soddisfano il principio di esclusione di Pauli: due o più fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico, o in altre parole: può esserci solo una fermion per stato quantistico.

Questa differenza fondamentale tra bosoni e fermioni rende la condensa fermionica.

Affinché le fermioni occupino tutti i livelli quantici più bassi, è necessario che in precedenza si allineino in coppia, per formare le chiamate "Coppie di Cooper"Hanno un comportamento bosonico.

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Storia, fondazioni e proprietà

Nel 1911, quando Heike Kamerlingh Onnes studiò la resistenza del mercurio sottoposto a temperature molto basse usando l'elio liquido come refrigerante, scoprì che quando raggiungeva la temperatura di 4,2 K (-268,9 Celsius) la resistenza cadde bruscamente a zero a zero.

Il primo superconduttore era stato trovato in modo non pianificato.

Senza saperlo, h.K. Onnes era riuscito a mettere gli elettroni di guida tutti insieme al livello quantico più basso, un fatto che in linea di principio non è possibile perché gli elettroni sono fermioni.

Gli elettroni erano stati raggiunti nella fase superflua all'interno del metallo, ma poiché hanno la carica elettrica, causano un flusso di carica elettrica con viscosità zero e di conseguenza zero resistenza elettrica.

Lo stesso h.K. Onnes a Leida, l'Olanda aveva scoperto che l'elio che usava come refrigerante andava allo stato superfluo quando era raggiunta la temperatura di 2,2 K (-270,9 Celsius).

Senza saperlo, h.K. Onnes era riuscito per la prima volta a mettere insieme al suo livello quantico inferiore agli atomi di elio con cui si è raffreddato a Mercurio. A proposito, si rese anche conto che quando la temperatura era al di sotto di una certa temperatura critica, l'elio passò alla fase superflua (viscosità zero).

Teoria della superconduttività

Helio-4 è un bosone e si comporta in quanto tale, quindi è stato possibile spostarsi dalla normale fase liquida alla fase superflua.

Tuttavia, nessuno di questi è considerato una condensa fermionica o bosonica. Nel caso della superconduttività, le fermioni come gli elettroni erano all'interno della rete cristallina di mercurio; E nel caso del superfluo elio, era passato dalla fase liquida alla fase superflua.

La spiegazione teorica della superconduttività è arrivata più tardi. È la ben nota teoria BCS sviluppata nel 1957.

La teoria afferma che gli elettroni interagiscono con la rete cristallina che forma coppie che invece di ripeterli. In questo modo gli elettroni nel loro insieme, possono occupare gli stati quantici di energia inferiore, purché la temperatura sia abbastanza bassa.

Come produrre una condensa di fermioni?

Una condensa legittima di fermioni o bosoni deve iniziare da un gas molto diluito composto da atomi fermionici o bosonici, il che si raffredda in modo tale che le loro particelle passino tutti agli stati quantici più bassi.

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Poiché questo è molto più complicato che ottenere una condensa di Bosoni, è solo di recente quando sono stati creati questi tipi di condensa.

Le fermioni sono particelle o conglomerati di particelle con rotazione semi -alero totale. L'elettrone, il protone e il neutrone sono tutte particelle con spin ½.

Core di Helio-3 (due protoni e un neutrone) si comporta come una fermione. L'atomo neutro del potassio-40 ha 19 protoni + 21 neutroni + 19 elettroni, che si sommano al numero dispari 59, quindi si comporta come una fermione.

Mediazione di particelle

Le particelle di mediazione delle interazioni sono bosoni. Tra queste particelle possiamo nominare quanto segue:

- Fotoni (mediatori di elettromagnetismo).

- Gluon (mediatori di una forte interazione nucleare).

- Bosoni Z e W (deboli mediatori di interazione nucleare).

- Gravitón (mediatori di interazione gravitazionale).

Bosoni composti

Tra i bosoni composti ci sono i seguenti:

- Nucleo deuterio (1 protone e 1 neutrone).

- Atomo Helio-4 (2 protoni + 2 neutroni + 2 elettroni).

A condizione che la somma di protoni, neutroni ed elettroni di un atomo neutro sia in un numero intero, il comportamento sarà Bosón.

Come è stata ottenuta una condensa fermionica

Un anno prima di raggiungere la condensa di fermioni, la formazione di molecole con atomi fermionici che formavano coppie fortemente accoppiate che si comportavano come i bosoni erano stati raggiunti. Tuttavia, questo non è considerato un puro condensato fermionico, ma assomiglia piuttosto a una condensa bosonica.

Ma ciò che è stato ottenuto il 16 dicembre 2003 dalla squadra composta da Deborah Jin, Markus Greiner e Cindy Regal del laboratorio di Jila a Boulder, in Colorado, era la formazione di una condensa di coppie di atomi fermionici individuali in gas in gas.

In questo caso, la coppia di atomi non forma una molecola, ma si muovono insieme in modo correlato. Pertanto, insieme la coppia di atomi fermionici funge da bosone, quindi è stata raggiunta la sua condensazione.

Per raggiungere questa condensa, il team Jila è iniziato da un gas con atomi di potassio-40 (che sono fermioni), che è stato confinato in una trappola ottica a 300 Nanokelvin.

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Quindi il gas è stato sottoposto a un campo magnetico oscillante per alterare l'interazione repulsiva tra gli atomi e trasformarlo in un'interazione attraente, attraverso un fenomeno noto come "risonanza di Fesbach".

Regolazione correttamente i parametri del campo magnetico. Quindi continua a raffreddare per ottenere la condensa fermionica.

Applicazioni ed esempi

La tecnologia sviluppata per raggiungere la condensa fermionica, in cui gli atomi sono praticamente manipolati quasi individualmente, consentirà lo sviluppo del calcolo quantistico, tra le altre tecnologie.

Migliorerà anche la comprensione dei fenomeni come la superconduttività e la superflua che consentono nuovi materiali con proprietà speciali. È stato anche scoperto che esiste un punto intermedio tra la superflua delle molecole e quella convenzionale attraverso la formazione delle coppie di Cooper.

La manipolazione degli atomi ultrafrios ci consentirà di comprendere la differenza tra questi due modi di produrre superflui, il che comporterà sicuramente lo sviluppo di superconduttività ad alta temperatura.

In effetti, oggi ci sono superconduttori che sebbene non funzionino a temperatura ambiente, funzionano a temperature di azoto liquido, che è relativamente economico e facile da ottenere.

Espandere il concetto di condensa fermionica oltre i gas atomici delle fermioni, si possono trovare numerosi esempi in cui le fermioni occupano collettivamente livelli quantici di bassa energia.

Il primo come già detto sono elettroni in un superconduttore. Queste sono fermioni che sono allineate in coppia per occupare i livelli quantici più bassi a basse temperature, esibendo comportamenti bosonici collettivi e riducendo la viscosità e la resistenza a zero.

Un altro esempio di un gruppo fermionico negli stati a bassa energia sono i quark condensa. Anche l'atomo di Helio-3 è un fermione, ma a basse temperature forme di cooper di due atomi che si comportano come bosoni e mostrano comportamenti superflui.

Riferimenti

1. K goral e k Burnett. Fermionico primo per condensati. Recuperato da: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Condensa di fermi. Recuperati da: utenti.Fisica.Harvard.Edu
3. P Rodgers e B Dumé. La condensa di fermi fa il suo debutto. Recuperato da: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Condensa fermionica. Wikiwand si è ripreso.com
5. Wikiwand. Condensa fermionica. Wikiwand si è ripreso.com