페르미 축합 엄격한 의미에서 매우 묽은 기체는 절대 영도에 가까운 온도로 실시되었다 fermionic 원자로 이루어져있다. 이런 식으로 적절한 조건 하에서 초 유체 단계로 들어가 새로운 물질 응집 상태를 형성합니다.
2003 년 12 월 16 일 미국에서 다양한 대학과 기관의 물리학 자 팀 덕분에 최초의 페르미온 성 응축수가 얻어졌습니다. 이 실험은 가변 자기장과 5 x 10 -8 Kelvin 의 온도에 노출 된 약 500,000 개의 칼륨 -40 원자를 사용했습니다 .
초전도 자석. 출처 : pixabay
이 온도는 절대 영도에 가까운 것으로 간주되며 약 3 켈빈 인 은하 간 공간의 온도보다 훨씬 낮습니다. 온도의 절대 영도는 섭씨 -273.15도에 해당하는 0 켈빈으로 이해됩니다. 따라서 3 켈빈은 섭씨 -270.15도에 해당합니다.
일부 과학자들은 fermionic condensate를 물질의 성 상태로 간주합니다. 처음 네 가지 상태는 고체, 액체, 기체 및 플라즈마의 모든 사람에게 가장 친숙합니다.
이전에는 보소닉 원자의 응축이 달성되었을 때 다섯 번째 물질 상태가 얻어졌습니다. 이 첫 번째 응축수는 1995 년 17 x 10 -8 켈빈으로 냉각 된 매우 희석 된 루비듐 -87 가스에서 생성되었습니다 .
저온의 중요성
원자는 고유의 각운동량 또는 스핀 값에 따라 절대 영도에 가까운 온도에서 매우 다르게 행동합니다.
이것은 입자와 원자를 두 가지 범주로 나눕니다.
-정수 스핀 (1, 2, 3,…)을 가진 bosons.
-반정 수 스핀 (1/2, 3/2, 5 / 2,…)을 가진 페르미온.
보손은 둘 이상이 동일한 양자 상태를 차지할 수 있다는 점에서 제한이 없습니다.
반면에 페르미온은 파울리 배제 원칙을 충족합니다. 둘 이상의 페르미온은 동일한 양자 상태를 차지할 수 없습니다. 즉, 양자 상태 당 하나의 페르미온 만있을 수 있습니다.
보손과 페르미온의 근본적인 차이는 페르미온 응축 물을 보소닉 응축 물보다 얻기 어렵게 만듭니다.
페르미온이 낮은 양자 레벨을 모두 차지하려면 이전에 쌍으로 정렬하여 보스 닉 행동을하는 소위 "쿠퍼 쌍"을 형성해야합니다.
역사, 기초 및 재산
1911 년 Heike Kamerlingh Onnes가 액체 헬륨을 냉각수로 사용하여 매우 낮은 온도에 노출 된 수은의 저항을 연구했을 때 그는 4.2K (-268.9C)의 온도에 도달하면 저항이 갑자기 0으로 떨어 졌다는 사실을 발견했습니다. .
최초의 초전도체는 예상치 못한 방식으로 발견되었습니다.
그것을 알지 못한 채, HK Onnes는 전도 전자를 모두 최저 양자 수준으로 모을 수 있었는데, 이는 전자가 페르미온이기 때문에 원칙적으로 불가능하다는 사실입니다.
전자는 금속 내부의 초 유체 상으로 전달되지만 전하가 있기 때문에 점도가 0이고 전기 저항이 0 인 전하 흐름을 유발합니다.
네덜란드 라이덴의 HK Onnes는 그가 냉매로 사용한 헬륨이 2.2K (-270.9C)의 온도에 도달했을 때 초 유체가되는 것을 발견했습니다.
무의식적으로 HK Onnes는 처음으로 헬륨 원자를 결합하여 가장 낮은 양자 수준에서 수은을 냉각시키는 데 성공했습니다. 통과하면서 그는 온도가 특정 임계 온도보다 낮을 때 헬륨이 초 유체 상 (점도 0)으로 전달된다는 것을 깨달았습니다.
초전도 이론
헬륨 -4는 boson이고 그와 같이 행동하기 때문에 정상적인 액체상에서 초 유체 상으로 이동할 수있었습니다.
그러나 이들 중 어느 것도 fermionic 또는 bosonic 응축 물로 간주되지 않습니다. 초전도의 경우, 전자와 같은 페르미온은 수은의 결정 격자 내에 있었다. 초 유체 헬륨의 경우 액체상에서 초 유체 상으로 이동했습니다.
초전도에 대한 이론적 설명은 나중에 나왔습니다. 1957 년에 개발 된 잘 알려진 BCS 이론입니다.
이론은 전자가 서로를 밀어내는 대신에 서로를 끌어 당기는 쌍을 형성하는 결정 격자와 상호 작용하여 보손 역할을하는 "쿠퍼 쌍"을 형성한다고 말합니다. 이런 식으로 온도가 충분히 낮은 한 전자 전체가 최저 에너지 양자 상태를 차지할 수 있습니다.
페르미온 응축수를 생성하는 방법은 무엇입니까?
합법적 인 페르미온 또는 보손 응축수는 페르미온 또는 보소닉 원자로 구성된 매우 희석 된 가스에서 시작해야하며, 이는 입자가 모두 가장 낮은 양자 상태로 이동하는 방식으로 냉각됩니다.
이것은 보손 응축수를 얻는 것보다 훨씬 더 복잡하기 때문에 이러한 유형의 응축수가 생성 된 것은 최근에 불과합니다.
페르미온은 전체 스핀이 절반 인 입자 또는 입자의 덩어리입니다. 전자, 양성자 및 중성자는 모두 ½ 스핀 입자입니다.
헬륨 -3의 핵 (양성자 2 개와 중성자 1 개)은 페르미온처럼 행동합니다. 칼륨 -40의 중성 원자는 19 개의 양성자 + 21 개의 중성자 + 19 개의 전자를 가지고 있으며, 이것은 홀수 59가되므로 페르미온처럼 행동합니다.
중재자 입자
상호 작용의 매개 입자는 boson입니다. 이러한 입자 중에서 다음과 같은 이름을 지정할 수 있습니다.
-광자 (전자기의 매개체).
-글루온 (강한 핵 상호 작용의 매개체).
-Bosons Z 및 W (약한 핵 상호 작용의 매개체).
-Graviton (중력 상호 작용의 매개자).
복합 보손
복합 boson은 다음과 같습니다.
-중수소 핵 (양성자 1 개와 중성자 1 개).
-헬륨 -4 원자 (양성자 2 개 + 중성자 2 개 + 전자 2 개).
양성자, 중성자 및 중성 원자의 전자의 합이 정수가 될 때마다 행동은 boson이 될 것입니다.
페르미온 성 응축 물을 얻는 방법
페르미온 축합 물을 얻기 1 년 전에, 보손처럼 행동하는 단단히 결합 된 쌍을 형성하는 페르미온 원자를 가진 분자가 형성되었습니다. 그러나 이것은 순수한 fermionic 응축 물로 간주되지 않고 오히려 bosonic 응축수와 유사합니다.
그러나 2003 년 12 월 16 일 콜로라도 볼더에있는 JILA 연구소의 Deborah Jin, Markus Greiner 및 Cindy Regal 팀이 수행 한 것은 가스에서 개별 페르미온 원자 쌍의 응축 물이 형성되는 것입니다.
이 경우 원자 쌍은 분자를 형성하지 않고 상호 관련된 방식으로 함께 이동합니다. 따라서 전체적으로 한 쌍의 fermionic 원자가 boson으로 작용하여 응축이 이루어졌습니다.
이 응축을 달성하기 위해 JILA 팀은 300 나노 켈빈의 광학 트랩에 갇혀있는 칼륨 -40 원자 (페르미온)를 가진 가스에서 시작했습니다.
그 후 가스는 "페스 바흐 공명 (Fesbach resonance)"으로 알려진 현상을 통해 원자 사이의 반발 적 상호 작용을 변경하고 매력적인 것으로 바꾸는 진동 자기장에 노출되었습니다.
자기장의 매개 변수를 적절하게 조정하면 원자가 분자 대신 Cooper 쌍을 형성 할 수 있습니다. 그런 다음 계속 냉각하여 페르미온 성 응축수를 얻습니다.
응용 프로그램 및 예
원자가 거의 개별적으로 조작되는 페르미온 축합 물을 얻기 위해 개발 된 기술은 다른 기술들 중에서도 양자 컴퓨팅의 개발을 가능하게 할 것입니다.
또한 초전도 및 초 유동과 같은 현상에 대한 이해도를 높여 특별한 특성을 가진 신소재를 만들 수 있습니다. 또한 쿠퍼 쌍의 형성을 통해 분자의 초 유동성과 기존의 초 유동성 사이에 중간 점이 있음을 발견 하였다.
초저온 원자의 조작을 통해 우리는 초 유체를 생성하는이 두 가지 방법의 차이를 이해할 수 있으며, 이는 확실히 고온 초전도성의 발달로 이어질 것입니다.
사실 오늘날에는 상온에서는 작동하지 않지만 상대적으로 저렴하고 구하기 쉬운 액체 질소의 온도에서 작동하는 초전도체가 있습니다.
원자 페르미온 가스를 넘어 페르미온 응축의 개념을 확장하면 페르미온이 집합 적으로 저에너지 양자 수준을 차지하는 수많은 예를 찾을 수 있습니다.
이미 말했듯이 첫 번째는 초전도체의 전자입니다. 이들은 쌍으로 정렬되어 저온에서 가장 낮은 양자 수준을 차지하고 집단적인 보소닉과 같은 동작을 나타내며 점도와 저항을 0으로 줄이는 페르미온입니다.
저에너지 상태에서 페르미온 그룹화의 또 다른 예는 쿼크 응축 물입니다. 또한 헬륨 -3 원자는 페르미온이지만 저온에서는 boson처럼 행동하고 초 유체 행동을 보이는 두 원자의 Cooper 쌍을 형성합니다.
참고 문헌
- K Goral 및 K Burnett. 응축 물에 대해 먼저 Fermionic. 출처 : physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. 페르미 응축 물. 검색 위치 : users.physics.harvard.edu
- P Rodgers와 B Dumé. Fermions 응축수가 데뷔합니다. 출처 : physicsworld.com.
- Wikiwand. Fermionic 응축 물. Wikiwand.com에서 복구
- Wikiwand. Fermionic 응축 물. Wikiwand.com에서 복구