FERMIYONIK KONDENSAT: ÖZELLIKLERI, UYGULAMALARI VE ÖRNEKLERI - FIZIKSEL - 2025

Bir Fermi yoğunlaşması , en kesin anlamıyla, mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa maruz kalmış fermiyonik atomlardan oluşan çok seyreltik bir gazdır. Bu şekilde ve uygun koşullar altında, süperakışkan bir faza geçerek yeni bir madde kümelenmesi durumu oluştururlar.

İlk fermiyonik kondensat, 16 Aralık 2003'te Amerika Birleşik Devletleri'nde, çeşitli üniversitelerden ve kurumlardan bir fizikçi ekibi sayesinde elde edildi. Deney, değişken bir manyetik alana ve 5 x ^10-8 Kelvin sıcaklığa maruz kalan yaklaşık 500 bin potasyum-40 atomu kullandı .

Süper iletken mıknatıs. Kaynak: Pixabay

Bu sıcaklığın mutlak sıfıra yakın olduğu düşünülür ve galaksiler arası uzayın sıcaklığından çok daha düşüktür, bu yaklaşık 3 Kelvin'dir. Mutlak sıfır sıcaklığı, -273.15 santigrat dereceye eşdeğer olan 0 Kelvin olarak anlaşılır. Yani 3 Kelvin, -270,15 santigrat dereceye karşılık gelir.

Bazı bilim adamları, fermiyonik kondensatın maddenin cinsiyet durumu olduğunu düşünüyor. İlk dört durum en çok herkese aşinadır: katı, sıvı, gaz ve plazma.

Daha önce, bir bozonik atom yoğunlaşması elde edildiğinde maddenin beşinci hali elde edilmişti. Bu ilk kondensat 1995 yılında 17 x ^10-8 Kelvin'e soğutulmuş çok seyreltik rubidyum-87 gazından oluşturuldu .

Düşük sıcaklıkların önemi

Atomlar, içsel açısal momentumlarının veya spinlerinin değerine bağlı olarak, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çok farklı davranırlar.

Bu, parçacıkları ve atomları iki kategoriye ayırır:

- Tam sayı spinli bozonlar (1, 2, 3,…).

- Yarı tam sayı spinli olan fermiyonlar (1/2, 3/2, 5/2,…).

Bozonların, ikisinin veya daha fazlasının aynı kuantum halini işgal edebilmesi anlamında herhangi bir kısıtlaması yoktur.

Öte yandan, fermiyonlar Pauli dışlama ilkesini yerine getirir: iki veya daha fazla fermiyon aynı kuantum durumunu işgal edemez veya başka bir deyişle: kuantum durumu başına yalnızca bir fermiyon olabilir.

Bozonlar ve fermiyonlar arasındaki bu temel fark, fermiyonik kondensatların elde edilmesini bozonik kondensatlardan daha zor hale getirir.

Fermiyonların en düşük kuantum seviyelerini işgal etmeleri için, daha önce çiftler halinde hizalanmaları, bozonik davranışa sahip sözde "Cooper çiftleri" oluşturmaları gerekir.

Tarih, temeller ve mülkler

1911'de Heike Kamerlingh Onnes, soğutucu olarak sıvı helyum kullanarak çok düşük sıcaklıklara maruz kalan cıvanın direncini incelerken, 4,2 K (-268,9 Santigrat) sıcaklığa ulaştığında direncin aniden sıfıra düştüğünü gördü. .

İlk süperiletken beklenmedik bir şekilde bulunmuştu.

HK Onnes farkında olmadan iletim elektronlarını en düşük kuantum seviyesinde bir araya getirmeyi başarmıştı, bu prensipte mümkün olmadığı için elektronların fermiyonlar olduğu gerçeğiydi.

Elektronların metalin içindeki süperakışkan faza geçtiği, ancak bir elektrik yüküne sahip oldukları için sıfır viskoziteli ve dolayısıyla sıfır elektrik direncine sahip bir elektrik yükü akışına neden oldukları elde edilmiştir.

HK Onnes, Hollanda'nın Leiden kentinde, soğutucu olarak kullandığı helyumun 2.2 K (-270.9 Santigrat) sıcaklığa ulaşıldığında süper sıvı hale geldiğini keşfetmişti.

HK Onnes, farkında olmadan, cıvayı en düşük kuantum seviyesinde soğutduğu helyum atomlarını bir araya getirmeyi ilk kez başardı. Geçerken, sıcaklık belirli bir kritik sıcaklığın altına düştüğünde helyumun süperakışkan fazına (sıfır viskozite) gittiğini de fark etti.

Süperiletkenlik teorisi

Helyum-4 bir bozondur ve bu şekilde davranır, bu nedenle normal sıvı fazdan süper sıvı faza geçmek mümkün olmuştur.

Ancak bunların hiçbiri fermiyonik veya bozonik yoğunlaşma olarak kabul edilmez. Süperiletkenlik durumunda, elektronlar gibi fermiyonlar civanın kristal kafesi içindeydi; ve süperakışkan helyum söz konusu olduğunda, sıvı fazdan süperakışkan faza geçmiştir.

Süperiletkenliğin teorik açıklaması daha sonra geldi. 1957'de geliştirilen iyi bilinen BCS teorisidir.

Teori, elektronların kristal kafes oluşturan çiftlerle etkileşime girerek birbirlerini itmek yerine birbirlerini çekerek bozonlar gibi davranan "Cooper çiftleri" oluşturduğunu belirtir. Bu şekilde, sıcaklık yeterince düşük olduğu sürece elektronlar bir bütün olarak en düşük enerjili kuantum durumlarını işgal edebilir.

Bir fermiyon kondensatı nasıl üretilir?

Meşru bir fermiyon veya bozon yoğunlaşması, parçacıklarının tümü en düşük kuantum durumlarına gidecek şekilde soğutulan, fermiyonik veya bozonik atomlardan oluşan çok seyreltik bir gazdan başlamalıdır.

Bu, bir bozon yoğuşması elde etmekten çok daha karmaşık olduğu için, bu tür yoğuşma suları daha yeni oluşmuştur.

Fermiyonlar, yarım tam dönüşlü partiküller veya partikül kümeleridir. Elektron, proton ve nötronun tümü ½ spin parçacıklarıdır.

Helyum-3'ün çekirdeği (iki proton ve bir nötron) bir fermiyon gibi davranır. Potasyum-40'ın nötr atomu 19 proton + 21 nötron + 19 elektrona sahiptir, bu da tek sayı 59'u oluşturur, bu yüzden bir fermiyon gibi davranır.

Aracı parçacıkları

Etkileşimlerin aracı parçacıkları bozonlardır. Bu parçacıklar arasında aşağıdakileri adlandırabiliriz:

- Fotonlar (elektromanyetizma aracıları).

- Gluon (güçlü nükleer etkileşimin aracıları).

- Bozonlar Z ve W (zayıf nükleer etkileşimin aracıları).

- Graviton (yerçekimi etkileşimi aracıları).

Bileşik bozonlar

Bileşik bozonlar arasında şunlar yer alır:

- Döteryum çekirdeği (1 proton ve 1 nötron).

- Helyum-4 atomu (2 proton + 2 nötron + 2 elektron).

Nötr bir atomun protonlarının, nötronlarının ve elektronlarının toplamı bir tam sayı ile sonuçlandığında, davranış bozon olacaktır.

Bir fermiyonik kondens nasıl elde edildi

Fermiyon yoğunlaşmasına ulaşmadan bir yıl önce, bozonlar gibi davranan sıkıca bağlanmış çiftler oluşturan fermiyonik atomlara sahip moleküllerin oluşumu sağlanmıştı. Bununla birlikte, bu saf bir fermiyonik yoğuşma maddesi olarak kabul edilmez, bunun yerine bir bozonik yoğuşmaya benzer.

Ancak 16 Aralık 2003'te Colorado, Boulder'daki JILA laboratuvarından Deborah Jin, Markus Greiner ve Cindy Regal'den oluşan ekip tarafından gerçekleştirilen şey, bir gazda ayrı ayrı fermiyonik atom çiftlerinin yoğunlaşmasının oluşmasıydı.

Bu durumda, atom çifti bir molekül oluşturmaz, ancak ilişkili bir şekilde birlikte hareket eder. Böylece, bir bütün olarak, fermiyonik atom çifti bir bozon görevi görür, dolayısıyla yoğunlaşmaları sağlanmıştır.

Bu yoğunlaşmayı sağlamak için JILA ekibi, 300 nanokelvin'de optik bir tuzakta hapsedilmiş potasyum-40 atomlu (fermiyonlar) bir gazdan yola çıktı.

Gaz daha sonra, atomlar arasındaki itici etkileşimi değiştirmek ve "Fesbach rezonansı" olarak bilinen bir fenomen aracılığıyla onu çekici hale getirmek için salınımlı bir manyetik alana maruz bırakıldı.

Manyetik alan parametrelerini uygun şekilde ayarlamak, atomların moleküller yerine Cooper çiftleri oluşturmasını mümkün kılar. Daha sonra fermiyonik yoğuşmayı elde etmek için soğumaya devam eder.

Uygulamalar ve örnekler

Atomların neredeyse tek tek manipüle edildiği fermiyonik yoğunlaşmaları elde etmek için geliştirilen teknoloji, diğer teknolojilerin yanı sıra kuantum hesaplamanın geliştirilmesine izin verecek.

Ayrıca, süper iletkenlik ve süperakışkanlık gibi olayların anlaşılmasını geliştirecek ve özel özelliklere sahip yeni malzemelere izin verecektir. Dahası, moleküllerin süperakışkanlığı ile geleneksel olan arasında Cooper çiftlerinin oluşumu yoluyla bir ara noktanın olduğu keşfedilmiştir.

Aşırı soğuk atomların manipülasyonu, süperakışkan üretmenin bu iki yolu arasındaki farkı anlamamıza izin verecek ve bu kesinlikle yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin gelişmesiyle sonuçlanacaktır.

Aslında bugün, oda sıcaklığında çalışmamalarına rağmen, nispeten ucuz ve elde edilmesi kolay olan sıvı nitrojen sıcaklıklarında çalışan süper iletkenler var.

Fermiyonik yoğuşma kavramını atomik fermiyon gazlarının ötesine genişleten fermiyonların toplu olarak düşük enerjili kuantum seviyelerini işgal ettiği çok sayıda örnek bulunabilir.

Daha önce söylendiği gibi birincisi, bir süper iletkendeki elektronlardır. Bunlar, düşük sıcaklıklarda en düşük kuantum seviyelerini işgal etmek için çiftler halinde hizalanan, toplu bozonik benzeri davranış sergileyen ve viskoziteyi ve direnci sıfıra düşüren fermiyonlardır.

Düşük enerjili durumlarda başka bir fermiyonik gruplama örneği, kuark yoğunlaşmalarıdır. Ayrıca helyum-3 atomu bir fermiyondur, ancak düşük sıcaklıklarda bozonlar gibi davranan ve süper akışkan davranış gösteren iki atomlu Cooper çiftleri oluşturur.

Referanslar

1. K Goral ve K Burnett. Kondensat için önce fermiyonik. Physicsworld.com'dan kurtarıldı
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi yoğunlaşır. Kullanıcılardan alındı: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers ve B Dumé. Fermion kondensat ilk kez sahneye çıktı. Physicsworld.com adresinden kurtarıldı.
4. Wikiwand. Fermiyonik yoğuşma. Wikiwand.com'dan kurtarıldı
5. Wikiwand. Fermiyonik yoğuşma. Wikiwand.com'dan kurtarıldı