- ความสำคัญของอุณหภูมิต่ำ
- ประวัติรากฐานและคุณสมบัติ
- ทฤษฎีตัวนำยิ่งยวด
- วิธีการผลิตคอนเดนเสทเฟอร์มิออน
- อนุภาคตัวกลาง
- โบซอนผสม
- วิธีการได้รับคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิก
- การใช้งานและตัวอย่าง
- อ้างอิง
แฟร์คอนเดนเสทคือในความรู้สึกเข้มงวดก๊าซเจือจางมากขึ้นของอะตอม fermionic ที่ได้รับการยัดเยียดให้ใกล้อุณหภูมิสัมบูรณ์ ด้วยวิธีนี้และภายใต้สภาวะที่เหมาะสมพวกมันจะผ่านเข้าสู่เฟส superfluid ก่อให้เกิดสถานะใหม่ของการรวมตัวของสสาร
เฟอร์มิโอนิกคอนเดนเสทได้รับครั้งแรกเมื่อวันที่ 16 ธันวาคม พ.ศ. 2546 ในสหรัฐอเมริกาโดยมีทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยและสถาบันต่างๆ การทดลองใช้โพแทสเซียม -40 ประมาณ 500,000 อะตอมภายใต้สนามแม่เหล็กที่แปรผันและอุณหภูมิ 5 x 10 -8เคลวิน
แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ที่มา: pixabay
อุณหภูมินั้นถือว่าใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์และต่ำกว่าอุณหภูมิของอวกาศระหว่างกาแลกติกอย่างมากซึ่งอยู่ที่ประมาณ 3 เคลวิน ศูนย์สัมบูรณ์ของอุณหภูมิเข้าใจว่าเป็น 0 เคลวินซึ่งเทียบเท่ากับ -273.15 องศาเซลเซียส 3 เคลวินจึงเท่ากับ -270.15 องศาเซลเซียส
นักวิทยาศาสตร์บางคนถือว่าคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิกเป็นสถานะทางเพศของสสาร สี่สถานะแรกเป็นที่คุ้นเคยมากที่สุดสำหรับทุกคน: ของแข็งของเหลวก๊าซและพลาสมา
ก่อนหน้านี้มีสถานะที่ห้าของสสารเมื่อบรรลุคอนเดนเสทของอะตอมโบโซนิก คอนเดนเสทตัวแรกนี้ถูกสร้างขึ้นในปี 1995 จากก๊าซรูบิเดียม -87 ที่เจือจางมากทำให้เย็นลงเป็น 17 x 10 -8เคลวิน
ความสำคัญของอุณหภูมิต่ำ
อะตอมมีพฤติกรรมแตกต่างกันมากที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ขึ้นอยู่กับค่าของโมเมนตัมเชิงมุมที่อยู่ภายในหรือการหมุน
สิ่งนี้แบ่งอนุภาคและอะตอมออกเป็นสองประเภท:
- โบซอนซึ่งเป็นจำนวนเต็มสปิน (1, 2, 3, … )
- เฟอร์มิออนซึ่งเป็นสปินกึ่งจำนวนเต็ม (1/2, 3/2, 5/2, … )
Bosons ไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ ในแง่ที่ว่าสองตัวขึ้นไปสามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้
ในทางกลับกันเฟอร์มิออนเป็นไปตามหลักการยกเว้นของ Pauli: เฟอร์มิออนสองตัวขึ้นไปไม่สามารถอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือสามารถมีเฟอร์มิออนได้เพียงครั้งเดียวต่อสถานะควอนตัม
ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโบซอนและเฟอร์มิออนทำให้ได้รับคอนเดนเสทของเฟอร์มิโอนิกได้ยากกว่าโบโซนิก
สำหรับเฟอร์มิออนที่จะครอบครองระดับควอนตัมที่ต่ำกว่าทั้งหมดจำเป็นต้องจัดตำแหน่งเป็นคู่ก่อนหน้านี้เพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่า "คูเปอร์คู่" ที่มีพฤติกรรมของโบโซนิก
ประวัติรากฐานและคุณสมบัติ
ย้อนกลับไปในปี 1911 เมื่อ Heike Kamerlingh Onnes กำลังศึกษาความต้านทานของปรอทภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำมากโดยใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็นเขาพบว่าเมื่อถึงอุณหภูมิ 4.2 K (-268.9 เซลเซียส) ความต้านทานจะลดลงอย่างกะทันหันจนเหลือศูนย์ .
พบตัวนำยิ่งยวดตัวแรกด้วยวิธีที่ไม่คาดคิด
โดยไม่รู้ตัว HK Onnes ได้จัดการนำอิเล็กตรอนทั้งหมดเข้าด้วยกันในระดับควอนตัมต่ำสุดซึ่งเป็นความจริงที่เป็นไปไม่ได้ในหลักการเนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นเฟอร์มิออน
เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะผ่านไปยังเฟส superfluid ภายในโลหะ แต่เนื่องจากพวกมันมีประจุไฟฟ้าจึงทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้าโดยมีความหนืดเป็นศูนย์และส่งผลให้ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์
HK Onnes เองในเมือง Leiden ประเทศเนเธอร์แลนด์พบว่าฮีเลียมที่เขาใช้เป็นสารทำความเย็นกลายเป็นฟลูอิดเมื่อถึงอุณหภูมิ 2.2 K (-270.9 เซลเซียส)
โดยไม่รู้ตัว HK Onnes ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในการนำอะตอมของฮีเลียมมารวมกันซึ่งเขาทำให้ปรอทเย็นลงที่ระดับควอนตัมต่ำสุด ในการผ่านไปเขายังตระหนักด้วยว่าเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตฮีเลียมจะผ่านเข้าสู่ช่วง superfluid (ความหนืดเป็นศูนย์)
ทฤษฎีตัวนำยิ่งยวด
ฮีเลียม -4 เป็นโบซอนและมีพฤติกรรมเช่นนี้ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนจากเฟสของเหลวปกติไปเป็นเฟสซุปเปอร์ฟลูอิด
อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้ไม่ถือว่าเป็นคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิกหรือโบโซนิก ในกรณีของความเป็นตัวนำยิ่งยวดเฟอร์มิออนเช่นอิเล็กตรอนอยู่ภายในตาข่ายคริสตัลของปรอท และในกรณีของฮีเลียม superfluid มันได้ผ่านจากเฟสของเหลวไปยังเฟส superfluid
คำอธิบายทางทฤษฎีสำหรับตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นในภายหลัง เป็นทฤษฎี BCS ที่รู้จักกันดีซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 2500
ทฤษฎีระบุว่าอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับโครงตาข่ายคริสตัลที่สร้างคู่ซึ่งแทนที่จะขับไล่ซึ่งกันและกันดึงดูดซึ่งกันและกันให้กลายเป็น "คู่คูเปอร์" ที่ทำหน้าที่เป็นโบซอน ด้วยวิธีนี้อิเล็กตรอนโดยรวมสามารถครอบครองสถานะควอนตัมพลังงานต่ำสุดได้ตราบเท่าที่อุณหภูมิต่ำพอ
วิธีการผลิตคอนเดนเสทเฟอร์มิออน
เฟอร์มิออนหรือโบซอนคอนเดนเสทที่ถูกต้องจะต้องเริ่มต้นจากก๊าซที่เจือจางมากซึ่งประกอบด้วยอะตอมเฟอร์มิโอนิกหรือโบโซนิกซึ่งถูกทำให้เย็นลงในลักษณะที่อนุภาคของมันทั้งหมดไปสู่สถานะควอนตัมต่ำสุด
เนื่องจากมีความซับซ้อนมากกว่าการได้รับคอนเดนเสทโบซอนจึงเพิ่งมีการสร้างคอนเดนเสทประเภทนี้ขึ้นเมื่อไม่นานมานี้
เฟอร์มิออนเป็นอนุภาคหรือกลุ่มอนุภาคที่มีการหมุนเพียงครึ่งเดียว อิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคสปิน
นิวเคลียสของฮีเลียม -3 (โปรตอนสองตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว) ทำหน้าที่เหมือนเฟอร์มิออน อะตอมที่เป็นกลางของโพแทสเซียม -40 มีโปรตอน 19 + 21 นิวตรอน + 19 อิเล็กตรอนซึ่งรวมกันเป็นเลขคี่ 59 ดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นเฟอร์มิออน
อนุภาคตัวกลาง
อนุภาคที่เป็นสื่อกลางของปฏิสัมพันธ์คือโบซอน ในบรรดาอนุภาคเหล่านี้เราสามารถตั้งชื่อสิ่งต่อไปนี้:
- โฟตอน (สื่อกลางของแม่เหล็กไฟฟ้า)
- กลูออน (ผู้ไกล่เกลี่ยของปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง)
- Bosons Z และ W (ตัวกลางของปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ที่อ่อนแอ)
- Graviton (ตัวกลางของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง)
โบซอนผสม
ในบรรดาสารประกอบโบซอนมีดังต่อไปนี้:
- นิวเคลียสดิวเทอเรียม (1 โปรตอนและ 1 นิวตรอน)
- อะตอมของฮีเลียม -4 (2 โปรตอน + 2 นิวตรอน + 2 อิเล็กตรอน)
เมื่อใดก็ตามที่ผลรวมของโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนของอะตอมเป็นกลางเป็นจำนวนเต็มพฤติกรรมจะเป็นโบซอน
วิธีการได้รับคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิก
หนึ่งปีก่อนที่จะบรรลุคอนเดนเสทเฟอร์มิออนการก่อตัวของโมเลกุลที่มีอะตอมเฟอร์มิโอนิกซึ่งก่อตัวเป็นคู่กันอย่างแน่นหนาซึ่งมีพฤติกรรมเหมือนโบซอนได้สำเร็จ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ถือว่าเป็นคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิกบริสุทธิ์ แต่มีลักษณะคล้ายกับคอนเดนเสทโบโซนิก
แต่สิ่งที่ประสบความสำเร็จในวันที่ 16 ธันวาคม 2546 โดยทีมงานของ Deborah Jin, Markus Greiner และ Cindy Regal จากห้องปฏิบัติการ JILA ในโบลเดอร์รัฐโคโลราโดคือการสร้างคอนเดนเสทของอะตอมเฟอร์มิโอนิกแต่ละคู่ในก๊าซ
ในกรณีนี้อะตอมทั้งคู่ไม่ได้รวมตัวกันเป็นโมเลกุล แต่เคลื่อนที่เข้าหากันในลักษณะที่สัมพันธ์กัน ดังนั้นโดยรวมแล้วอะตอมเฟอร์มิโอนิกทั้งคู่จึงทำหน้าที่เป็นโบซอนดังนั้นการควบแน่นของพวกมันจึงเกิดขึ้นได้
เพื่อให้เกิดการควบแน่นนี้ทีม JILA เริ่มต้นจากก๊าซที่มีอะตอมโพแทสเซียม -40 (ซึ่งเป็นเฟอร์มิออน) ซึ่งถูกกักขังอยู่ในกับดักแสงที่ 300 นาโนเคลวิน
จากนั้นก๊าซจะต้องอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กที่กำลังสั่นเพื่อเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ที่น่ารังเกียจระหว่างอะตอมและทำให้มันกลายเป็นสิ่งที่น่าดึงดูดโดยใช้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "Fesbach resonance"
การปรับพารามิเตอร์ของสนามแม่เหล็กให้เหมาะสมทำให้อะตอมรวมตัวกันเป็นคู่คูเปอร์แทนที่จะเป็นโมเลกุล จากนั้นระบายความร้อนอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้คอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิก
การใช้งานและตัวอย่าง
เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเพื่อให้ได้คอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิกซึ่งอะตอมได้รับการจัดการในทางปฏิบัติแทบจะแยกกันจะช่วยให้การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมรวมถึงเทคโนโลยีอื่น ๆ
นอกจากนี้ยังจะปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์ต่างๆเช่นความเป็นตัวนำยิ่งยวดและความเป็นกรดยิ่งยวดทำให้ได้วัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติพิเศษ นอกจากนี้ยังมีการค้นพบว่ามีจุดกึ่งกลางระหว่าง superfluidity ของโมเลกุลกับจุดธรรมดาผ่านการก่อตัวของคู่คูเปอร์
การจัดการกับอะตอมที่มีอุณหภูมิสูงจะช่วยให้เราเข้าใจถึงความแตกต่างระหว่างสองวิธีนี้ในการผลิต superfluids ซึ่งจะส่งผลให้เกิดการพัฒนาของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
ในความเป็นจริงทุกวันนี้มีตัวนำยิ่งยวดที่แม้ว่าจะไม่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง แต่ก็ทำงานที่อุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวซึ่งมีราคาค่อนข้างถูกและหาได้ง่าย
การขยายแนวคิดของคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิกนอกเหนือจากก๊าซเฟอร์มิออนในอะตอมมีตัวอย่างมากมายที่สามารถพบได้ในกรณีที่เฟอร์มิออนรวมกันครอบครองระดับควอนตัมพลังงานต่ำ
อย่างแรกที่กล่าวไปแล้วคืออิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวด นี่คือเฟอร์มิออนที่จัดเรียงเป็นคู่เพื่อครอบครองระดับควอนตัมต่ำสุดที่อุณหภูมิต่ำแสดงพฤติกรรมคล้ายโบโซนิกโดยรวมและลดความหนืดและความต้านทานเป็นศูนย์
อีกตัวอย่างหนึ่งของการจัดกลุ่มเฟอร์มิโอนิกในสถานะพลังงานต่ำคือควาร์กคอนเดนเสท นอกจากนี้อะตอมของฮีเลียม -3 ยังเป็นเฟอร์มิออน แต่ที่อุณหภูมิต่ำจะก่อตัวเป็นคู่คูเปอร์ของอะตอมสองตัวที่มีพฤติกรรมเหมือนโบซอนและแสดงพฤติกรรมที่มีของเหลวมากเกินไป
อ้างอิง
- K Goral และ K Burnett Fermionic ก่อนสำหรับคอนเดนเสท สืบค้นจาก: Physicsworld.com
- เอ็มเกรนเนอร์, ซีรีกัล, ดีจิน เฟอร์มิคอนเดนเสท ดึงมาจาก: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers และ B Dumé Fermions condensate เปิดตัวครั้งแรก สืบค้นจาก: Physicsworld.com.
- Wikiwand เฟอร์มิโอนิกคอนเดนเสท กู้คืนจาก Wikiwand.com
- Wikiwand เฟอร์มิโอนิกคอนเดนเสท กู้คืนจาก Wikiwand.com