Kondensat fermionowy - Fermionic condensate
| Fizyka materii skondensowanej |
|---|
 |
| Fazy · Przejście fazowe · QCP |
Kondensat fermionów lub Fermiego Diraca kondensatu jest nadciekłe faza tworzy fermionic cząstek w niskich temperaturach . Jest blisko spokrewniony z kondensatem Bosego-Einsteina , fazą nadciekłą utworzoną przez atomy bozonowe w podobnych warunkach. Najwcześniej rozpoznany kondensat fermionowy opisywał stan elektronów w nadprzewodniku ; fizyka innych przykładów, w tym niedawna praca z atomami fermionowymi , jest analogiczna. Pierwszy atomowy kondensat fermionowy został stworzony przez zespół kierowany przez Deborah S. Jin w 2003 roku.
tło
Nadciekłość
Kondensaty fermionowe są osiągane w niższych temperaturach niż kondensaty Bosego-Einsteina. Kondensat fermionów są rodzajem nadciekłym . Jak sama nazwa wskazuje, nadciek posiada właściwości płynu podobne do tych, które posiadają zwykłe ciecze i gazy , takie jak brak określonego kształtu i zdolność przepływu w odpowiedzi na przyłożone siły. Jednak nadcieki mają pewne właściwości, które nie występują w zwykłej materii. Na przykład mogą płynąć z dużymi prędkościami bez rozpraszania energii – tj. zerowej lepkości . Przy niższych prędkościach energia jest rozpraszana przez tworzenie skwantowanych wirów , które działają jak „dziury” w ośrodku, w którym zanika nadciekłość. Nadciekłość została pierwotnie odkryta w ciekłym helu-4, którego atomy są bozonami , a nie fermionami.
Nadcieki fermionowe
O wiele trudniej jest wytworzyć nadciek fermionowy niż bozonowy, ponieważ zasada Pauliego zabrania fermionom zajmowania tego samego stanu kwantowego . Istnieje jednak dobrze znany mechanizm powstawania nadcieczy z fermionów: mechanizm ten to przejście BCS , odkryte w 1957 r. przez J. Bardeena , LN Coopera i R. Schrieffera do opisu nadprzewodnictwa. Autorzy ci wykazali, że poniżej pewnej temperatury elektrony (będące fermionami) mogą się łączyć, tworząc związane pary, znane obecnie jako pary Coopera . Dopóki zderzenia z siecią jonową ciała stałego nie dostarczają energii wystarczającej do rozbicia par Coopera, płyn elektronowy będzie mógł płynąć bez rozpraszania. W rezultacie staje się nadciekiem, a materiał, przez który przepływa, nadprzewodnikiem.
Teoria BCS odniosła fenomenalny sukces w opisie nadprzewodników. Wkrótce po opublikowaniu artykułu BCS kilku teoretyków zaproponowało, że podobne zjawisko może wystąpić w płynach złożonych z fermionów innych niż elektrony, takich jak atomy helu-3 . Spekulacje te potwierdziły się w 1971 roku, kiedy eksperymenty przeprowadzone przez DD Osheroffa wykazały, że hel-3 staje się nadciekłą poniżej 0,0025 K. Wkrótce potwierdzono, że nadciekłość helu-3 wynika z mechanizmu podobnego do BCS.
Powstanie pierwszych kondensatów fermionowych
Kiedy Eric Cornell i Carl Wieman wyprodukowali kondensat Bosego-Einsteina z atomów rubidu w 1995 roku, naturalnie pojawiła się perspektywa stworzenia podobnego rodzaju kondensatu z atomów fermionowych, który w mechanizmie BCS utworzyłby nadciek. Jednak wczesne obliczenia wskazywały, że temperatura wymagana do wytworzenia par Coopera w atomach byłaby zbyt niska, aby można ją było osiągnąć. W 2001 roku Murray Holland z JILA zaproponował sposób na ominięcie tej trudności. Spekulował, że atomy fermionowe można nakłonić do łączenia się w pary poprzez poddanie ich działaniu silnego pola magnetycznego .
W 2003 roku, pracując nad sugestią Hollanda, Deborah Jin z JILA, Rudolf Grimm z Uniwersytetu w Innsbrucku i Wolfgang Ketterle z MIT zdołali nakłonić atomy fermionowe do utworzenia bozonów molekularnych, które następnie uległy kondensacji Bosego-Einsteina. Nie był to jednak prawdziwy kondensat fermionowy. 16 grudnia 2003 r. Jin po raz pierwszy zdołał wytworzyć kondensat z atomów fermionowych. Eksperyment obejmował 500 000 atomów potasu -40 schłodzonych do temperatury 5× 10-8 K, poddanych działaniu zmiennego w czasie pola magnetycznego.
Przykłady
kondensat chiralnyral
Chiralny kondensatu jest przykład kondensat fermionów który pojawia się w teorii fermionami bezmasowych z chiralnym symetrii hamujące, takie jak teorii kwarkach w Quantum chromodynamika .
teoria BCS
BCS teoria z nadprzewodnictwa ma kondensatu Fermion. Para elektronów w metalu o przeciwnych spinach może tworzyć skalarny stan związany zwany parą Coopera . Same związane stany tworzą wtedy kondensat. Ponieważ para Coopera ma ładunek elektryczny , ten kondensat fermionowy łamie symetrię miernika elektromagnetycznego nadprzewodnika, dając początek cudownym właściwościom elektromagnetycznym takich stanów.
QCD
W chromodynamice kwantowej (QCD) kondensat chiralny jest również nazywany kondensatem kwarkowym . Ta właściwość próżni QCD jest częściowo odpowiedzialna za nadawanie mas hadronom (wraz z innymi kondensatami, takimi jak kondensat gluonowy ).
W przybliżonej wersji QCD, która ma znikające masy kwarków dla smaków N kwarków , istnieje dokładna chiralna symetria SU( N ) × SU( N ) teorii. Próżni QCD przerywa symetrii Su ( N ) przez tworzenie kondensatu twarogu. Istnienie takiego kondensatu fermionowego zostało po raz pierwszy wyraźnie pokazane w formule sieciowej QCD. Kondensat kwarkowy jest zatem parametrem rzędu przejść między kilkoma fazami materii kwarkowej w tym limicie.
Jest to bardzo podobne do teorii nadprzewodnictwa BCS . Te pary Coopera są analogiczne do pseudoskalar mezonów . Jednak próżnia nie niesie ze sobą żadnych opłat. Stąd wszystkie symetrie cechowania są nieprzerwane. Poprawki dla mas kwarków mogą być wprowadzone za pomocą chiralnej teorii perturbacji .
Nadciek hel-3
Hel-3 atomów jest Fermion i przy bardzo niskich temperaturach, tworzą dwa atom Cooper pary , które są bozonowych i kondensacji w nadciekłych . Te pary Coopera są znacznie większe niż separacja międzyatomowa.
Zobacz też
Przypisy
Bibliografia
Źródła
- Guenault, Tony (2003). Podstawowe nadciecze . Taylor i Franciszek . Numer ISBN 978-0-7484-0892-4.
- "Naukowcy NIST/University of Colorado tworzą nową formę materii: kondensat fermionowy" (komunikat prasowy). Uniwersytet Kolorado. 28 stycznia 2004 r. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 7 grudnia 2006 r.
- Rodgers, Piotr; Dumé, Bell (28 stycznia 2004). „Debiutuje kondensat fermionowy” . Fizyka Świat . Źródło 29 cze 2019 .</ref>
- Hägler, Ph. (2010). „Struktura Hadronu z chromodynamiki kwantowej sieci”. Raporty fizyczne . 490 (3–5): 49–175. arXiv : 0912.5483 . doi : 10.1016/j.physrep.2009.12.008 . ISSN 0370-1573 .