На uCrazy 9 лет 1 месяц
Достижения теоретической и экспериментальной физики: фермионный конденсат
Совсем недавно я делал пост о причудливом виде материи - бозе-эйнштейновском конденсате. Эта форма вещества считается пятой по счету после твердого, жидкого, газообразного состояний, а также плазмы. Но существует еще одна, шестая, форма вещества, и она не менее удивительна и интересна, чем пятая - это Фермионный конденсат. Попытаюсь интересно и доступным языком объяснить суть этого явления...
Чтобы была понятна суть этого явления, в двух словах обращусь к нескольким понятиям из физики элементарных частиц, а также кратко обобщу сказанное в предыдущем посте.
В физике элементарных частиц эти самые частицы укрупненно делятся на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы обладают полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), - проще говоря, собственным моментом импульса, - и подчиняются статистике Ферми-Дирака (волновая функция этих частиц ассиметрична). К фермионам относятся лептоны (самый известный всем лептон - это электрон) и кварки, из которых состоят известные всем протоны и нейтроны. Т.е. проще говоря, фермионы - это основной строительный материал, из которого построен атом любого вещества. Бозоны обладают целым спином (1,2,3 и т.д.) и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (волновая функция этих частиц симметрична). Бозоны по сути - это переносчики всех известных фундаментальных взаимодействий в Природе, и к ним относятся фотоны, слабо заряженные W,Z-бозоны, глюоны, мезоны, ну и пока еще гипотетические гравитоны. Проще говоря, бозоны - это переносчики взаимодействий между фермионами.
Обобщая сказанное в предыдущем посте, отметим, что бозоны являются словно коллективистами - при достаточно низких температурах для них не существует ограничения на число частиц в одном квантовом состоянии, и в случае, когда температура становится меньше определенной величины, происходит бозе-конденсация (т.е. образуется Бозе-Эйнштейновский конденсат), - значительная часть частиц скапливается в наинизшем энергетическом состоянии, они занимают один квантовый уровень, и с этого момента представляют собой единый макроскопический объект, подчиняющийся законам квантовой механики. Т.е. по сути, этот конденсат ведет себя как один большой суператом. Эта форма вещества и была получена, как уже говорилось, из бозе-атомов рубидия и натрия при их охлаждении до нескольких нанокельвин.
Ну а что же фермионы? А вот фермионы - они более капризные частицы, чем бозоны. Все дело в том, что фермионы подчиняются знаменитому принципу запрета Паули, согласно которому в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы, и при стремлении температуры к нулю фермионы заполняют "поочередно" возможные квантовые состояния таким образом, чтобы энергия системы была наинизшей. Это как если бы на автомобильной стоянке машина пыталась заехать на занятое другой машиной парковочное место - у нее бы ничего не получилось и ей пришлось бы занять свободное парковочное место. В этом проявляется разительное различие в поведении систем ферми-частиц и бозе-частиц при низких температурах. Поэтому ферми-атомы, такие как, например, литий или калий, обладая полуцелым спином, не могут образовать бозе-конденсат.
Но, оказалось, что фермионы могут быть и бозонами, точнее - "составными бозонами", в зависимости от суммарного спина составной частицы. Что это значит? А это значит, что если связать две ферми-частицы в пару, то такая пара будет обладать целым спином (спины двух ферми-частиц складываются), - прям как у бозонов, - и тем самым вести себя как бозе-частица. Молекула, содержащая два фермионных атома, превращается в бозон! Т.е. оказывается, что фермионы, также как и бозоны, можно заставить проявить коллективное поведение, правда совершенно особенного рода, нежели у бозонов.
Много научных групп во всем мире (среди которых, увы, не было российских - положение российской науки, мягко говоря, не благоприятствовало проведению столь сложных экспериментов) шло к заветной цели наблюдения бозе-конденсации в газах из ферми-атомов. Но на практике спарить два ферми-атома долгое время не получалось. И вот, в 2003 году сразу три команды - объединенная команда специалистов из Массачусетского технологического института и Гарвардского центра ультрахолодных атомов (США), команда из Университета Инсбрука (Австрия), команда из Института лаборатории астрофизики (США) - практически одновременно сообщили о долгожданном успехе. Первая и вторая команды охладили атомы лития-6 и спарили их в двухатомные молекулы-бозоны, а третья команда, под руководством физика Деборы Джин, проделали то же самое с атомами калия-40, заставив в конечном итоге спаренные атомы образовать бозе-конденсат, т.е. по сути получив при этом фермионный конденсат. Обратимся подробнее к успехам третьей команды.
Специалисты исследовательского коллектива под руководством Деборы Джин охлаждали 500 тысяч атомов калия (предварительно изолировав это "атомарное калийное облако" в вакуумной камере) до температуры 50 нанокельвин в переменном магнитном поле. В этих экспериментах изменяемое со временем магнитное поле было приложено к фермионным атомам, что вынуждало их объединиться в бозонные молекулы, т.е. магнитное поле как бы выстраивало фермионы в пары. Как же осуществлялся этот процесс?
При получении сверхнизкой температуры, необходимой для этого эксперимента, было использовано комплексное воздействие на газ при помощи магнитного поля и лазерного излучения. Исследователи проводили первоначальное охлаждение атомов в магнитной ловушке, а затем перегружали атомы в дипольную оптическую ловушку (атомы оказывались в фокусе сильно сфокусированного лазерного луча), и продолжали охлаждать смесь уже в оптической ловушке, постепенно снижая мощность лазерного излучения - более высокоэнергетичные атомы при этом покидали ловушку, что и приводило к понижению температуры газа. Далее, для того, чтобы зафиксировать образование конденсата фермионных пар, ученые уменьшали магнитное поле, проходя через резонанс (при этом пары атомов трансформируются в молекулы), причем уменьшали настолько быстро, что бозе-конденсат заведомо не успел бы сформироваться. После этого оптическая ловушка выключалась, и через 17 мс, в течении которых облако газа могло свободно расширяться, проводилась диссоциация молекул с помощью радиочастотного излучения. Затем, регистрируя резонансное поглощение света атомами калия, ученые получали изображение атомного облака, по форме которого можно определить, имела ли место в системе бозе-конденсация, а также определить, какая часть частиц находилась в конденсате. Таким образом исследователи смогли зарегистрировать бозе-конденсацию в разных режимах, в том числе впервые - в виде фермионного конденсата!
В заключении скажу, что, по мнению ученых, фермионный конденсат - это нечто промежуточное между сверхпроводниками и конденсатом Бозе-Эйнштейна. Исследователи считают, что открытие фермионного конденсата поможет лучше понять природу сверхпроводимости и, возможно, позволит создать комнатно-температурные сверхпроводники. Другими словами, речь идет о получении высокотемпературных сверхпроводников - мечте энергетиков всего мира! Но...произойдет это, по-видимому, не завтра, и даже не послезавтра...
В физике элементарных частиц эти самые частицы укрупненно делятся на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы обладают полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), - проще говоря, собственным моментом импульса, - и подчиняются статистике Ферми-Дирака (волновая функция этих частиц ассиметрична). К фермионам относятся лептоны (самый известный всем лептон - это электрон) и кварки, из которых состоят известные всем протоны и нейтроны. Т.е. проще говоря, фермионы - это основной строительный материал, из которого построен атом любого вещества. Бозоны обладают целым спином (1,2,3 и т.д.) и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (волновая функция этих частиц симметрична). Бозоны по сути - это переносчики всех известных фундаментальных взаимодействий в Природе, и к ним относятся фотоны, слабо заряженные W,Z-бозоны, глюоны, мезоны, ну и пока еще гипотетические гравитоны. Проще говоря, бозоны - это переносчики взаимодействий между фермионами.
Обобщая сказанное в предыдущем посте, отметим, что бозоны являются словно коллективистами - при достаточно низких температурах для них не существует ограничения на число частиц в одном квантовом состоянии, и в случае, когда температура становится меньше определенной величины, происходит бозе-конденсация (т.е. образуется Бозе-Эйнштейновский конденсат), - значительная часть частиц скапливается в наинизшем энергетическом состоянии, они занимают один квантовый уровень, и с этого момента представляют собой единый макроскопический объект, подчиняющийся законам квантовой механики. Т.е. по сути, этот конденсат ведет себя как один большой суператом. Эта форма вещества и была получена, как уже говорилось, из бозе-атомов рубидия и натрия при их охлаждении до нескольких нанокельвин.
Ну а что же фермионы? А вот фермионы - они более капризные частицы, чем бозоны. Все дело в том, что фермионы подчиняются знаменитому принципу запрета Паули, согласно которому в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы, и при стремлении температуры к нулю фермионы заполняют "поочередно" возможные квантовые состояния таким образом, чтобы энергия системы была наинизшей. Это как если бы на автомобильной стоянке машина пыталась заехать на занятое другой машиной парковочное место - у нее бы ничего не получилось и ей пришлось бы занять свободное парковочное место. В этом проявляется разительное различие в поведении систем ферми-частиц и бозе-частиц при низких температурах. Поэтому ферми-атомы, такие как, например, литий или калий, обладая полуцелым спином, не могут образовать бозе-конденсат.
Но, оказалось, что фермионы могут быть и бозонами, точнее - "составными бозонами", в зависимости от суммарного спина составной частицы. Что это значит? А это значит, что если связать две ферми-частицы в пару, то такая пара будет обладать целым спином (спины двух ферми-частиц складываются), - прям как у бозонов, - и тем самым вести себя как бозе-частица. Молекула, содержащая два фермионных атома, превращается в бозон! Т.е. оказывается, что фермионы, также как и бозоны, можно заставить проявить коллективное поведение, правда совершенно особенного рода, нежели у бозонов.
Много научных групп во всем мире (среди которых, увы, не было российских - положение российской науки, мягко говоря, не благоприятствовало проведению столь сложных экспериментов) шло к заветной цели наблюдения бозе-конденсации в газах из ферми-атомов. Но на практике спарить два ферми-атома долгое время не получалось. И вот, в 2003 году сразу три команды - объединенная команда специалистов из Массачусетского технологического института и Гарвардского центра ультрахолодных атомов (США), команда из Университета Инсбрука (Австрия), команда из Института лаборатории астрофизики (США) - практически одновременно сообщили о долгожданном успехе. Первая и вторая команды охладили атомы лития-6 и спарили их в двухатомные молекулы-бозоны, а третья команда, под руководством физика Деборы Джин, проделали то же самое с атомами калия-40, заставив в конечном итоге спаренные атомы образовать бозе-конденсат, т.е. по сути получив при этом фермионный конденсат. Обратимся подробнее к успехам третьей команды.
Специалисты исследовательского коллектива под руководством Деборы Джин охлаждали 500 тысяч атомов калия (предварительно изолировав это "атомарное калийное облако" в вакуумной камере) до температуры 50 нанокельвин в переменном магнитном поле. В этих экспериментах изменяемое со временем магнитное поле было приложено к фермионным атомам, что вынуждало их объединиться в бозонные молекулы, т.е. магнитное поле как бы выстраивало фермионы в пары. Как же осуществлялся этот процесс?
При получении сверхнизкой температуры, необходимой для этого эксперимента, было использовано комплексное воздействие на газ при помощи магнитного поля и лазерного излучения. Исследователи проводили первоначальное охлаждение атомов в магнитной ловушке, а затем перегружали атомы в дипольную оптическую ловушку (атомы оказывались в фокусе сильно сфокусированного лазерного луча), и продолжали охлаждать смесь уже в оптической ловушке, постепенно снижая мощность лазерного излучения - более высокоэнергетичные атомы при этом покидали ловушку, что и приводило к понижению температуры газа. Далее, для того, чтобы зафиксировать образование конденсата фермионных пар, ученые уменьшали магнитное поле, проходя через резонанс (при этом пары атомов трансформируются в молекулы), причем уменьшали настолько быстро, что бозе-конденсат заведомо не успел бы сформироваться. После этого оптическая ловушка выключалась, и через 17 мс, в течении которых облако газа могло свободно расширяться, проводилась диссоциация молекул с помощью радиочастотного излучения. Затем, регистрируя резонансное поглощение света атомами калия, ученые получали изображение атомного облака, по форме которого можно определить, имела ли место в системе бозе-конденсация, а также определить, какая часть частиц находилась в конденсате. Таким образом исследователи смогли зарегистрировать бозе-конденсацию в разных режимах, в том числе впервые - в виде фермионного конденсата!
В заключении скажу, что, по мнению ученых, фермионный конденсат - это нечто промежуточное между сверхпроводниками и конденсатом Бозе-Эйнштейна. Исследователи считают, что открытие фермионного конденсата поможет лучше понять природу сверхпроводимости и, возможно, позволит создать комнатно-температурные сверхпроводники. Другими словами, речь идет о получении высокотемпературных сверхпроводников - мечте энергетиков всего мира! Но...произойдет это, по-видимому, не завтра, и даже не послезавтра...
Комментарии5
