- أهمية درجات الحرارة المنخفضة
- التاريخ والأسس والممتلكات
- نظرية الموصلية الفائقة
- كيف يتم إنتاج مكثف الفرميون؟
- جسيمات الوسيط
- البوزونات المركبة
- كيف تم الحصول على مكثفات الفرميونية
- تطبيقات وأمثلة
- المراجع
A فيرمي المكثفات هو، بالمعنى الحرفي للكلمة، وقدم الغاز مخفف جدا من ذرات fermionic أن تعرضوا إلى نهايتها درجة الحرارة إلى الصفر المطلق. بهذه الطريقة ، وفي ظل ظروف مناسبة ، ينتقلون إلى طور المائع الفائق ، مشكلين حالة جديدة من تجميع المادة.
تم الحصول على أول مكثف فرميوني في 16 ديسمبر 2003 في الولايات المتحدة ، وذلك بفضل فريق من علماء الفيزياء من مختلف الجامعات والمؤسسات. استخدمت التجربة حوالي 500 ألف ذرة بوتاسيوم -40 خاضعة لمجال مغناطيسي متغير ودرجة حرارة 5 × 10 -8 كلفن.
مغناطيس فائق التوصيل. المصدر: pixabay
تعتبر درجة الحرارة هذه قريبة من الصفر المطلق وهي أقل بكثير من درجة حرارة الفضاء بين المجرات ، والتي تبلغ حوالي 3 كلفن. يُفهم أن الصفر المطلق لدرجة الحرارة هو 0 كلفن ، وهو ما يعادل -273.15 درجة مئوية. إذن ، 3 كلفن تقابل -270.15 درجة مئوية.
يعتبر بعض العلماء أن مكثفات الفرميونات هي الحالة الجنسية للمادة. الحالات الأربع الأولى مألوفة للجميع: الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.
في السابق ، تم الحصول على حالة خامسة من المادة عندما تم تحقيق تكثيف من الذرات البوزونية. تم إنشاء أول مكثف في عام 1995 من غاز روبيديوم -87 مخفف للغاية مبرد إلى 17 × 10 -8 كلفن.
أهمية درجات الحرارة المنخفضة
تتصرف الذرات بشكل مختلف تمامًا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، اعتمادًا على قيمة الزخم الزاوي الجوهري ، أو الدوران.
هذا يقسم الجسيمات والذرات إلى فئتين:
- البوزونات ، وهي البوزونات ذات الدوران الصحيح (1 ، 2 ، 3 ،…).
- الفرميونات ، وهي الفرميونات ذات الدوران شبه الصحيح (1/2 ، 3/2 ، 5/2 ،…).
ليس للبوزونات أي قيود ، بمعنى أن اثنين أو أكثر منهم يمكن أن يشغلوا نفس الحالة الكمية.
من ناحية أخرى ، تفي الفرميونات بمبدأ استبعاد باولي: لا يمكن أن تشغل فرميونان أو أكثر نفس الحالة الكمومية ، أو بعبارة أخرى: يمكن أن يكون هناك فرميون واحد فقط لكل حالة كمومية.
هذا الاختلاف الأساسي بين البوزونات والفرميونات يجعل الحصول على مكثفات الفرميونات أكثر صعوبة من الحصول على المكثفات البوزونية.
لكي تشغل الفرميونات جميع المستويات الكمومية الدنيا ، من الضروري أن تكون محاذاة في السابق في أزواج ، لتشكيل ما يسمى "أزواج كوبر" التي لها سلوك بوزوني.
التاريخ والأسس والممتلكات
في عام 1911 ، عندما كان Heike Kamerlingh Onnes يدرس مقاومة الزئبق المعرض لدرجات حرارة منخفضة جدًا باستخدام الهيليوم السائل كمبرد ، وجد أنه عند الوصول إلى درجة حرارة 4.2 كلفن (-268.9 درجة مئوية) انخفضت المقاومة فجأة إلى الصفر..
تم العثور على أول موصل فائق بطريقة غير متوقعة.
دون معرفة ذلك ، نجح HK Onnes في تجميع إلكترونات التوصيل معًا عند أدنى مستوى كمي ، وهي حقيقة غير ممكنة من حيث المبدأ لأن الإلكترونات فرميونات.
لقد تحقق أن الإلكترونات تنتقل إلى طور السائل الفائق داخل المعدن ، ولكن نظرًا لأن لديها شحنة كهربائية ، فإنها تسبب تدفق شحنة كهربائية بدون لزوجة وبالتالي صفر مقاومة كهربائية.
أونز نفسه في ليدن بهولندا اكتشف أن الهليوم الذي استخدمه كمبرد أصبح سائلًا فائقًا عندما وصلت درجة الحرارة إلى 2.2 كلفن (-270.9 درجة مئوية).
دون علم ، نجح HK Onnes لأول مرة في الجمع بين ذرات الهيليوم التي تبرد بها الزئبق عند أدنى مستوى كمي لها. أثناء مروره ، أدرك أيضًا أنه عندما تكون درجة الحرارة أقل من درجة حرارة حرجة معينة ، ينتقل الهيليوم إلى طور السائل الفائق (لزوجة صفرية).
نظرية الموصلية الفائقة
الهليوم -4 هو بوزون ويتصرف على هذا النحو ، ولهذا كان من الممكن الانتقال من المرحلة السائلة العادية إلى مرحلة السائل الفائق.
ومع ذلك ، لا يعتبر أي من هذين التكثيف فرميونيًا أو بوزونيًا. في حالة الموصلية الفائقة ، كانت الفرميونات ، مثل الإلكترونات ، داخل الشبكة البلورية للزئبق ؛ وفي حالة الهيليوم فائق الموائع ، فقد انتقل من المرحلة السائلة إلى مرحلة السائل الفائق.
جاء التفسير النظري للموصلية الفائقة لاحقًا. إنها نظرية BCS المعروفة التي تم تطويرها في عام 1957.
تنص النظرية على أن الإلكترونات تتفاعل مع أزواج الشبكة البلورية المكونة والتي بدلاً من أن تتنافر ، تجذب بعضها البعض ، وتشكل "أزواج كوبر" التي تعمل كبوزونات. وبهذه الطريقة ، يمكن للإلكترونات ككل أن تشغل أقل حالات كمية الطاقة ، طالما أن درجة الحرارة منخفضة بدرجة كافية.
كيف يتم إنتاج مكثف الفرميون؟
يجب أن يبدأ الفرميون الشرعي أو ناتج تكثيف البوزونات من غاز مخفف للغاية يتكون من ذرات فرميونية أو بوزونية ، والتي يتم تبريدها بحيث تنتقل جسيماتها جميعها إلى أدنى الحالات الكمية.
نظرًا لأن هذا الأمر أكثر تعقيدًا من الحصول على مكثف بوزون ، فقد تم إنشاء هذه الأنواع من المكثفات مؤخرًا فقط.
الفرميونات عبارة عن جزيئات أو تكتلات من الجسيمات ذات نصف دوران كامل. الإلكترون والبروتون والنيوترون كلها جسيمات س½ينية.
تتصرف نواة الهليوم -3 (بروتونان ونيوترون واحد) مثل الفرميون. تحتوي ذرة البوتاسيوم -40 المحايدة على 19 بروتونًا + 21 نيوترونًا + 19 إلكترونًا ، والتي تضيف ما يصل إلى الرقم الفردي 59 ، لذا فهي تتصرف كفرميون.
جسيمات الوسيط
الجسيمات الوسيطة للتفاعلات هي البوزونات. من بين هذه الجسيمات يمكننا تسمية ما يلي:
- الفوتونات (وسطاء الكهرومغناطيسية).
- جلون (وسطاء التفاعل النووي القوي).
- Bosons Z و W (وسطاء التفاعل النووي الضعيف).
- Graviton (وسطاء تفاعل الجاذبية).
البوزونات المركبة
من بين البوزونات المركبة ما يلي:
- نواة الديوتيريوم (1 بروتون و 1 نيوترون).
- ذرة هيليوم 4 (2 بروتون + 2 نيوترون + 2 إلكترون).
عندما ينتج عن مجموع البروتونات والنيوترونات والإلكترونات لذرة محايدة عددًا صحيحًا يكون السلوك هو البوزون.
كيف تم الحصول على مكثفات الفرميونية
قبل عام من تحقيق تكاثف الفرميون ، تم تكوين جزيئات ذات ذرات فرميونية تشكل أزواجًا مترابطة بإحكام تتصرف مثل البوزونات. ومع ذلك ، لا يعتبر هذا ناتجًا مكثفًا فرميونيًا نقيًا ، ولكنه يشبه تكاثف بوزوني.
ولكن ما تم إنجازه في 16 ديسمبر 2003 من قبل فريق ديبورا جين ، وماركوس جرينير ، وسيندي ريجال من مختبر جيلا في بولدر ، كولورادو ، كان تكوين مكثف من أزواج من ذرات الفرميونات الفردية في غاز.
في هذه الحالة ، لا يشكل زوج الذرات جزيءًا ، لكنهما يتحركان معًا بطريقة مترابطة. وهكذا ، ككل ، يعمل زوج الذرات الفرميونية كالبوزون ، ومن ثم تحقق تكثيفهما.
لتحقيق هذا التكثيف ، بدأ فريق JILA من غاز به ذرات بوتاسيوم -40 (وهي فرميونات) ، والتي كانت محصورة في مصيدة بصرية عند 300 نانوكلفن.
ثم تعرض الغاز لحقل مغناطيسي متذبذب لتغيير التفاعل الباعث على النفور بين الذرات وتحويله إلى تفاعل جذاب ، من خلال ظاهرة تعرف باسم "رنين فيزباخ".
يتيح ضبط معلمات المجال المغناطيسي بشكل مناسب للذرات تكوين أزواج كوبر بدلاً من الجزيئات. ثم يستمر في التبريد للحصول على مكثف الفرميونات.
تطبيقات وأمثلة
التكنولوجيا التي تم تطويرها لتحقيق مكثفات الفرميونية ، والتي يتم فيها معالجة الذرات بشكل فردي تقريبًا ، ستسمح بتطوير الحوسبة الكمومية ، من بين تقنيات أخرى.
كما أنه سيحسن من فهم الظواهر مثل الموصلية الفائقة والسيولة الفائقة ، مما يسمح بمواد جديدة ذات خصائص خاصة. علاوة على ذلك ، تم اكتشاف أن هناك نقطة وسيطة بين السيولة الفائقة للجزيئات والأخرى التقليدية من خلال تكوين أزواج كوبر.
سيسمح لنا التلاعب بالذرات شديدة البرودة بفهم الفرق بين هاتين الطريقتين لإنتاج السوائل الفائقة ، والتي ستؤدي بالتأكيد إلى تطوير الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية.
في الواقع ، توجد اليوم موصلات فائقة ، على الرغم من أنها لا تعمل في درجة حرارة الغرفة ، إلا أنها تعمل في درجات حرارة النيتروجين السائل ، وهو رخيص نسبيًا ويسهل الحصول عليه.
لتوسيع مفهوم مكثفات الفرميونات إلى ما وراء غازات الفرميون الذرية ، يمكن العثور على العديد من الأمثلة حيث تحتل الفرميونات مجتمعة مستويات كمية منخفضة الطاقة.
الأول كما قيل بالفعل هو الإلكترونات في موصل فائق. هذه هي الفرميونات التي تصطف في أزواج لتحتل أدنى مستويات الكم في درجات حرارة منخفضة ، وتظهر سلوكًا شبيهًا بوزونيًا جماعيًا وتقلل اللزوجة والمقاومة إلى الصفر.
مثال آخر على التجمع الفرميوني في حالات الطاقة المنخفضة هو مكثفات الكوارك. كما أن ذرة الهليوم -3 هي فرميون ، لكنها في درجات الحرارة المنخفضة تشكل أزواج كوبر من ذرتين تتصرفان مثل البوزونات وتظهر سلوك السوائل الفائقة.
المراجع
- K Goral و K Burnett. فيرميونيك أولاً للمكثفات. تم الاسترجاع من: physicsworld.com
- إم غرينر ، سي ريجال ، دي جين. مكثفات فيرمي. تم الاسترجاع من: users.physics.harvard.edu
- بي رودجرز وبي دوميه. مكثفات الفرميونات تظهر لأول مرة. تم الاسترجاع من: physicsworld.com.
- ويكي واند. مكثفات الفرميونية. تعافى من Wikiwand.com
- ويكي واند. مكثفات الفرميونية. تعافى من Wikiwand.com