Co je fermionový kondenzát? Definice, vznik a objev Deborah Jin (2003)
Fermionový kondenzát: srozumitelná definice, vznik a průlomový objev Deborah Jin (2003) — ochlazení draslíku‑40 a vznik unikátní supratekuté fáze.
Fermionický kondenzát, někdy nazývaný fermiho kondenzát, je stav hmoty (supratekutá fáze), který je podobný Boseho-Einsteinovu kondenzátu. Zatímco Boseho-Einsteinovy kondenzáty a běžné supertekutiny vznikají z částic, které se mohou hromadit do stejného kvantového stavu, fermionický kondenzát představuje obdobu tohoto jevu pro částice, které se samy do stejného stavu nevejdou.
Fermiony vs. bosony – proč je potřeba párování
Rozdíl vychází z kvantové statistiky: bosonů se mohou při nízkých teplotách slučovat a obsadit stejný kvantový stav, proto přímo tvoří Boseho-Einsteinův kondenzát. Fermiony naopak podléhají Pauliho vylučovacímu principu a nemohou zabírat stejný stav. Aby se fermiony přesto chovaly kolektivně jako bosony, musí se navázat do párů (analogicky ke Cooperovým párům v supravodičích). Takové páry jsou složené částice s bosonovými vlastnostmi a mohou následně kondenzovat.
Jak se takový kondenzát vytvoří
V laboratorních podmínkách je nezbytné vytvořit atraktivní interakci mezi fermiony a ochladit systém na extrémně nízké teploty. Výzkumníci používají techniky jako je ochlazování odpařováním a naladění síly interakce pomocí magnetického Feshbachova rezonance; tím lze zajistit vznik pevně vázaných molekul nebo volnějších párových stavů. V závislosti na síle vazby se systém může pohybovat mezi dvěma limity: BCS‑typ superfluiditou (slabě vázané Cooperovy páry) a BEC (silně vázané molekulární páry) — tento přechod se označuje jako BCS–BEC crossover.
Objev Deborah Jin (2003)
Tento stav byl poprvé potvrzen v prosinci 2003 týmem vedeným Deborah Jinovou. Jinová pracovala pro Národní institut pro standardy a technologie na Coloradské univerzitě. Její skupina vytvořila fermionický kondenzát ochlazením mraku atomů draslíku-40 na extrémně nízké teploty – méně než miliontinu °C nad absolutní nulu (-273,15 °C). Pomocí naladění interakcí přes Feshbachovu rezonanci a technik spektrální a obrazové analýzy prokázali vznik párového kondenzátu; experiment tak ukázal, že fermiony mohou tvořit supertekuté páry analogické bosonovým kondenzátům.
Význam a aplikace
Objev fermionického kondenzátu otevřel nové cesty ke zkoumání mikroskopických mechanismů supravodivosti a superfluidity. Experimentální kontrola nad interakcemi v ultrachladných plynů umožňuje studovat BCS–BEC crossover systematicky a testovat teorie, které se týkají vysokoteplotní supravodivosti, neutronových hvězd nebo kvantových simulací. Fermionické kondenzáty tak slouží jako čistý modelový systém pro pochopení kolektivního kvantového chování fermionů.
Deborah Jin
Albert Einstein, jeden ze dvou mužů, kteří ve 20. letech 20. století vyslovili hypotézu o Boseho-Einsteinově kondenzátu.
Satyendra Nath Bose, muž, který společně s Einsteinem přišel s myšlenkou Boseho-Einsteinova kondenzátu. Proslavil se také svou Boseho-Einsteinovou statistikou.
Rozdíl mezi fermiony a bosony
Bosony a fermiony jsou subatomární částice (kousky hmoty menší než atom). Rozdíl mezi bosonem a fermionem spočívá v počtu elektronů, neutronů a/nebo protonů v atomu. Atom je složen z bosonů, pokud má sudý počet elektronů. Atom je složen z fermionů, pokud má lichý počet elektronů, neutronů a protonů. Příkladem bosonu je gluon. Příkladem fermionu by byl draslík-40, který Deborah Jin používá jako plynný oblak. Bosony mohou tvořit shluky a jsou k sobě přitahovány, zatímco fermiony shluky netvoří. Fermiony se obvykle vyskytují v přímých řetězcích, protože se navzájem odpuzují. Je to proto, že fermiony se řídí Pauliho vylučovacím principem, který říká, že se nemohou shromažďovat ve stejném kvantovém stavu.
Jedná se o standardní model elementárních částic, který se obvykle označuje jako standardní model.
Podobnost s Boseho-Einsteinovým kondenzátem
Stejně jako Boseho-Einsteinovy kondenzáty i Fermiho kondenzáty koaleskují (srostou v jeden celek) s částicemi, které je tvoří. Boseho-Einsteinovy kondenzáty i Fermiho kondenzáty jsou rovněž stavy hmoty vytvořené člověkem. Částice, které tyto stavy hmoty tvoří, musí být uměle přechlazeny, aby měly takové vlastnosti, jaké mají. Fermiho kondenzáty však dosahují ještě nižších teplot než Boseho-Einsteinovy kondenzáty. Oba stavy hmoty také nemají žádnou viskozitu, což znamená, že mohou proudit bez zastavení.
Helium-3 a fermiony
Vytvoření Fermiho kondenzátu je velmi obtížné. Fermiony se řídí vylučovacím principem a vzájemně se nepřitahují. Vzájemně se odpuzují. Jin a její výzkumný tým našli způsob, jak je spojit dohromady. Upravili a aplikovali na antisociální fermiony magnetické pole, takže začaly ztrácet své vlastnosti. Fermiony si stále zachovaly část své povahy, ale chovaly se trochu jako bosony. Pomocí toho dokázali přimět oddělené dvojice fermionů, aby se navzájem spojovaly znovu a znovu. Paní Jin má podezření, že tento proces párování probíhá stejně i v heliu-3, které je rovněž supratekutým médiem. Na základě těchto informací mohou vyslovit hypotézu (učinit kvalifikovaný odhad), že fermionické kondenzáty budou také proudit bez jakékoliv viskozity.
Supravodivost a fermionické kondenzáty
Dalším souvisejícím jevem je supravodivost. Při supravodivosti mohou párové elektrony proudit s viskozitou 0. O supravodivost je poměrně velký zájem, protože může být levnějším a čistším zdrojem elektrické energie. Mohla by se také využít k pohonu levitujících vlaků a aut na vznášení.
To se však může stát pouze tehdy, pokud vědci vytvoří nebo objeví materiály, které jsou supravodiči při pokojové teplotě. Ve skutečnosti bude Nobelova cena udělena tomu, komu se podaří vyrobit supravodič při pokojové teplotě. V současné době je problém v tom, že vědci musí pracovat se supravodiči o teplotě kolem -135 °C. To zahrnuje použití kapalného dusíku a dalších metod k dosažení extrémně nízkých teplot. To je samozřejmě zdlouhavá práce, a proto vědci raději používají supravodiče při pokojové teplotě. Tým paní Jin se domnívá, že nahrazením párových elektronů párovými fermiony by vznikl supravodič pro pokojovou teplotu.
Supravodivost. Jedná se o Meissnerův jev.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to fermionický kondenzát?
Odpověď: Fermionický kondenzát je stav hmoty, který je podobný Boseho-Einsteinovu kondenzátu, ale je tvořen fermiony místo bosonů.
Otázka: Čím se fermiové kondenzáty liší od Boseho-Einsteinových kondenzátů?
Odpověď: Fermiho kondenzáty jsou asociální a vzájemně se nepřitahují, zatímco Boseho-Einsteinovy kondenzáty jsou asociální a přitahují se do skupin nebo shluků.
Otázka: Mohou se Fermiho kondenzáty vyskytovat v přírodě?
Odpověď: Ne, Fermiho kondenzáty musí být vytvořeny uměle pomocí procesu kondenzace, stejného procesu, který se používá k vytvoření Boseho-Einsteinových kondenzátů.
Otázka: Kdo vytvořil první Fermiho kondenzát?
Odpověď: Deborah Jin a její tým z Národního institutu pro standardy a technologie na Coloradské univerzitě vytvořili první fermiho kondenzát v prosinci 2003.
Otázka: Při jaké teplotě byl vytvořen první Fermiho kondenzát?
Odpověď: První Fermiho kondenzát byl vytvořen ochlazením oblaku atomů draslíku-40 na teplotu nižší než miliontina °C nad absolutní nulou (-273,15 °C), což je stejná teplota, jaká je nutná k vytvoření Boseho-Einsteinova kondenzátu.
Otázka: Jak se nazývá proces ochlazování plynu na kondenzát?
Odpověď: Proces ochlazování plynu na kondenzát se nazývá kondenzace.
Otázka: Jsou supratekuté látky také Boseho-Einsteinovy kondenzáty?
Odpověď: Ano, supratekutiny jsou také Boseho-Einsteinovy kondenzáty, ale jsou tvořeny bosony místo fermionů.
Vyhledávání