- חשיבות הטמפרטורות הנמוכות
- היסטוריה, יסודות ונכסים
- תורת המוליכות העל
- כיצד לייצר מעובה פרמיון?
- חלקיקי מגשר
- בוזונים מורכבים
- כיצד הושג עיבוי פרמיוני
- יישומים ודוגמאות
- הפניות
פרמו מעובה הוא, במובן הצר, גז לדלל מאוד מורכב מאטומי fermionic כי היו נתון לסיומה טמפרטורה לאפס מוחלט. באופן זה, ובתנאים מתאימים, הם עוברים לשלב מיותר ונוצרים ויוצרים מצב חדש של צבירת חומר.
הקונדונד הפירמיוני הראשון הושג ב- 16 בדצמבר 2003 בארצות הברית, בזכות צוות פיזיקאים מאוניברסיטאות ומוסדות שונים. הניסוי השתמש בכ -500 אלף אשלגן -40 אטומים שהיו נתונים לשדה מגנטי משתנה וטמפרטורה של 5 x 10 -8 קלווין.
מגנט מוליך-על. מקור: pixabay
טמפרטורה זו נחשבת קרוב לאפס מוחלט והיא נמוכה בהרבה מהטמפרטורה של החלל הבין-גלקטי, שהוא בערך 3 קלווין. האפס המוחלט של הטמפרטורה מובן כ- 0 קלווין, המקביל ל -273.15 מעלות צלזיוס. אז 3 קלווין תואם -270.15 מעלות צלזיוס.
יש מדענים הרואים בעיבוי פרמיוני כמצב המין של החומר. ארבעת המצבים הראשונים מוכרים ביותר לכולם: מוצק, נוזל, גז ופלזמה.
בעבר הושג מצב חמישי של חומר כאשר הושג עיבוי של אטומים בוזוניים. העיבוי הראשון הזה נוצר בשנת 1995 מגז רובידיום -87 מדולל מאוד שהתקרר ל -17 X 10 -8 קלווין.
חשיבות הטמפרטורות הנמוכות
האטומים מתנהגים בצורה שונה מאוד בטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט, תלוי בערך המומנטום הזוויתי המהותי שלהם, או בסיבוב.
זה מחלק חלקיקים ואטומים לשתי קטגוריות:
- הבוזונים, שהם אלה עם ספין שלם (1, 2, 3, …).
- פרציות, שהן עם ספין שלם שלם (1/2, 3/2, 5/2, …).
לבוסונים אין מגבלות, במובן זה ששניים או יותר מהם יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי.
במקום זאת, פרמיונים עומדים בעקרון ההדרה של פאולי: שניים או יותר פרמיונים אינם יכולים לכבוש אותו מצב קוונטי, או במילים אחרות: יכול להיות רק פרמיון אחד לכל מצב קוונטי.
ההבדל המהותי הזה בין בוזונים לפרמיונים מקשה על קבלת עיבוי פרמיוני יותר מאשר אלו הבוזונים.
כדי שהפרמיונים יתפוסו את כל רמות הקוונטים הנמוכות ביותר, יש צורך שהם יתיישרו בעבר בזוגות, ויצרו את מה שנקרא "זוגות קופר" שיש להם התנהגות בוזונית.
היסטוריה, יסודות ונכסים
עוד בשנת 1911, כאשר הייקה קמרלינג אוננס בחן את ההתנגדות של כספית הנתונה לטמפרטורות נמוכות מאוד תוך שימוש בהליום נוזלי כנוזל קירור, הוא מצא כי כשהגיע לטמפרטורה של 4.2 K (-268.9 צלזיוס) ההתנגדות צנחה בפתאומיות לאפס. .
מוליך העל הראשון נמצא בצורה לא צפויה.
מבלי לדעת זאת, HK אוננס הצליחה להרכיב את אלקטרוני ההולכה כולם יחד ברמת הקוונטים הנמוכה ביותר, עובדה שבאופן עקרוני אינה אפשרית מכיוון שהאלקטרונים הם פרמיונים.
הושג כי האלקטרונים עברו לשלב העל-נוזלי בתוך המתכת, אך מכיוון שיש להם מטען חשמלי הם גורמים לזרימת מטען חשמלי עם אפס צמיגות וכתוצאה מכך לאפס התנגדות חשמלית.
HK Onnes עצמו בליידן, הולנד מצא כי ההליום בו השתמש ככלי קירור הפך ליותר נוזל כאשר הגיעה הטמפרטורה של 2.2 K (-270.9 צלסיוס).
בלי לדעת, HK Onnes הצליחה לראשונה להפגיש את אטומי הליום איתם קירר את הכספית ברמת הקוואנטים הנמוכה ביותר שלהם. במהלך העבר הוא גם הבין שכאשר הטמפרטורה הייתה מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת, ההליום עבר לשלב העל-נוזלי (אפס צמיגות).
תורת המוליכות העל
הליום -4 הוא בוזון ומתנהג ככזה, וזו הסיבה שניתן היה לעבור משלב הנוזל הרגיל לשלב המיותר.
עם זאת, אף אחד מאלו לא נחשב לעיבוי פרמיוני או בוזוני. במקרה של מוליכות-על, פרמיונים, כמו אלקטרונים, היו בתוך סריג הגביש של הכספית; ובמקרה של הליום מיותר, הוא עבר מהשלב הנוזלי לשלב העל-נוזלי.
ההסבר התיאורטי למוליכות העל הגיע מאוחר יותר. זוהי תורת BCS הידועה שפותחה בשנת 1957.
התיאוריה קובעת כי אלקטרונים מקיימים אינטראקציה עם סריג הגבישים היוצרים זוגות שבמקום להדוף זה את זה, מושכים זה את זה, ויוצרים "זוגות קופר" המשמשים כבוזונים. בדרך זו האלקטרונים בכללותם יכולים לתפוס את מצבי הקוונטים הנמוכים ביותר, כל עוד הטמפרטורה נמוכה מספיק.
כיצד לייצר מעובה פרמיון?
פרונדון לגיטימי או מעובה בוסון חייב להתחיל מגז מדולל מאוד המורכב מאטומים פרמיוניים או בוזוניים, שמתקרר באופן כזה שחלקיקיו כולם עוברים למצבים הקוונטים הנמוכים ביותר.
מכיוון שהדבר מסובך הרבה יותר מאשר קבלת עיבוי בוזון, רק לאחרונה נוצרו סוגים אלה של עיבוי.
תאים הם חלקיקים או קונגלומרטים של חלקיקים עם חצי ספין שלם. האלקטרון, הפרוטון והנויטרון הם כולם ½ חלקיקי ספין.
גרעין הליום -3 (שני פרוטונים וניוטרון אחד) מתנהג כמו פרמיון. האטום הנייטרלי של אשלגן -40 כולל 19 פרוטונים + 21 נויטרונים + 19 אלקטרונים, אשר מסתכמים למספר המוזר 59, כך שהוא מתנהג כפרמיון.
חלקיקי מגשר
החלקיקים המתווכים באינטראקציות הם בוזונים. בין החלקיקים הללו אנו יכולים לנקוב בשם הבא:
- פוטונים (מתווכים לאלקטרומגנטיות).
- גלון (מתווכים לאינטראקציה גרעינית חזקה).
- Bosons Z ו- W (מתווכים לאינטראקציה גרעינית חלשה).
- גרביטון (מתווכים לאינטראקציה בכבידה).
בוזונים מורכבים
בין הבוזונים המתחמים הם הבאים:
- גרעין דיאוטריום (פרוטון 1 וניוטרון 1).
- אטום הליום -4 (2 פרוטונים + 2 נויטרונים + 2 אלקטרונים).
בכל פעם שסכום הפרוטונים, הנויטרונים והאלקטרונים של אטום ניטרלי מביא למספר שלם ההתנהגות תהיה בוזון.
כיצד הושג עיבוי פרמיוני
שנה לפני השגת הקונדונדט של הפרמיון הושגה היווצרות מולקולות עם אטומים פרמיוניים שיצרו זוגות צמודים הדוקים שהתנהגו כמו בוזונים. עם זאת זה לא נחשב לעיבוי פרמיוני טהור, אלא דומה לתמצית מעובה בוזונית.
אולם מה שהושג ב -16 בדצמבר 2003 על ידי צוותם של דבורה ג'ין, מרקוס גריינר וסינדי ריגאל ממעבדת JILA בבולדר, קולורדו, היה היווצרות של עיבוי זוגות של אטומים פרמיוניים בודדים בגז.
במקרה זה זוג האטומים אינם יוצרים מולקולה, אלא נעים יחד בצורה מתואמת. כך, ככלל, זוג האטומים הפרמיוניים פועל כבוזון, ומכאן שהעיבוי שלהם הושג.
כדי להשיג עיבוי זה, צוות JILA התחיל מגז עם אשלגן -40 אטומים (שהם פרמיונים), שהוחסן במלכודת אופטית בגובה 300 ננוקלווין.
הגז היה נתון לשדה מגנטי מתנודד כדי לשנות את האינטראקציה הדוחה בין אטומים ולהפוך אותו לאטרקטיבי, באמצעות תופעה המכונה "תהודה פסבך".
התאמת הפרמטרים של השדה המגנטי מאפשרת את האטומים ליצור זוגות קופר במקום מולקולות. ואז הוא ממשיך להתקרר כדי להשיג את העיבוי הפרמיוני.
יישומים ודוגמאות
הטכנולוגיה שפותחה להשגת עיבוי פרמיוני, שבה אטומים מנוהלים כמעט כמעט באופן אינדיבידואלי, תאפשר פיתוח מחשוב קוונטי, בין טכנולוגיות אחרות.
זה גם ישפר את ההבנה של תופעות כמו מוליכות-על ודופקיות, ומאפשר לחומרים חדשים עם תכונות מיוחדות. יתרה מזאת, התגלה כי יש נקודת ביניים בין על פני הנוזל של המולקולות לזו המקובלת דרך היווצרות זוגות קופר.
מניפולציה של אטומי אולטרה-קולד תאפשר לנו להבין את ההבדל בין שתי דרכים אלה לייצור נוזלים-עליים, מה שבוודאי יביא להתפתחות של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה.
למעשה, כיום ישנם מוליכי-על שלמרות שאינם עובדים בטמפרטורת החדר, הם פועלים בטמפרטורות של חנקן נוזלי, וזה יחסית זול וקל להשגה.
בהרחבת התפיסה של עיבוי פרמיוני מעבר לגזי הפרמיון האטומי, ניתן למצוא דוגמאות רבות בהן פרמיונים קולקטיביים תופסים רמות קוונטיות באנרגיה נמוכה.
הראשונים כאמור הם האלקטרונים במוליך-על. אלה פרמיונים המתיישרים בזוגות כדי לתפוס את רמות הקוונטים הנמוכות ביותר בטמפרטורות נמוכות, המציגים התנהגות דמויי בוזוני קולקטיבי ומפחיתים את הצמיגות והתנגדות לאפס.
דוגמא נוספת לקיבוץ פרמיוני במצבי אנרגיה נמוכה היא מעובה של קווארקים. כמו כן האטום הליום -3 הוא פרמיון, אך בטמפרטורות נמוכות הוא יוצר זוגות קופר של שני אטומים שמתנהגים כמו בוזונים ומפגינים התנהגות מיותרת.
הפניות
- K גוראל ו K Burnett. תחילה פרמיוניק עבור מעבים. התאושש מ: physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. פרמי מתעבה. נשלף מ: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers ו- B Dumé. תמצית פרמיוני הופכת לראשונה. התאושש מ: physicsworld.com.
- Wikiwand. עיבוי פרמיוני. התאושש מ- Wikiwand.com
- Wikiwand. עיבוי פרמיוני. התאושש מ- Wikiwand.com