 | Эта статья включает в себя список ссылок , связанных материалов или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . ( Сентябрь 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
| Фазы · Фазовый переход · QCP |
Фермионная конденсата или Ферми-Дирак конденсата является сверхтекучей фазой , образованной фермионными частицами при низких температурах . Он тесно связан с конденсатом Бозе – Эйнштейна , сверхтекучей фазой, образованной бозонными атомами в аналогичных условиях. Самый ранний из известных фермионных конденсатов описывал состояние электронов в сверхпроводнике ; физика других примеров, включая недавние работы с фермионными атомами , аналогична. Первый атомный фермионный конденсат был создан группой под руководством Деборы С. Джин в 2003 году. [1] [2]
Фон [ править ]
Сверхтекучесть [ править ]
Фермионные конденсаты образуются при более низких температурах, чем конденсаты Бозе – Эйнштейна. Фермионные конденсаты - это разновидность сверхтекучей жидкости . Как следует из названия, сверхтекучая жидкость обладает свойствами жидкости, аналогичными свойствам обычных жидкостей и газов , например, отсутствие определенной формы и способность течь в ответ на приложенные силы. Однако сверхтекучие жидкости обладают некоторыми свойствами, которые не проявляются в обычном веществе. Например, они могут течь с высокими скоростями без рассеивания энергии, то есть с нулевой вязкостью . При более низких скоростях энергия рассеивается за счет образования квантованных вихрей., которые действуют как «дыры» в среде, где нарушается сверхтекучесть. Первоначально сверхтекучесть была обнаружена в жидком гелии-4 , атомы которого являются бозонами , а не фермионами.
Фермионные сверхтекучие жидкости [ править ]
Создать фермионную сверхтекучую жидкость гораздо труднее, чем бозонную, потому что принцип исключения Паули запрещает фермионам занимать одно и то же квантовое состояние . Однако существует хорошо известный механизм, с помощью которого сверхтекучая жидкость может образовываться из фермионов: этим механизмом является переход БКШ , открытый в 1957 г. Дж. Бардином , Л. Н. Купером и Р. Шриффером для описания сверхпроводимости. Эти авторы показали, что ниже определенной температуры электроны (которые являются фермионами) могут спариваться, образуя связанные пары, теперь известные как пары Купера.. До тех пор, пока столкновения с ионной решеткой твердого тела не дают энергии, достаточной для разрыва куперовских пар, электронная жидкость может течь без диссипации. В результате он становится сверхтекучим, а материал, через который он протекает, - сверхпроводником.
Теория БКШ оказалась феноменально успешной в описании сверхпроводников. Вскоре после публикации статьи BCS несколько теоретиков предположили, что подобное явление может происходить в жидкостях, состоящих из фермионов, отличных от электронов, таких как атомы гелия-3 . Эти предположения подтвердились в 1971 году, когда эксперименты, проведенные Д. Д. Ошероффом, показали, что гелий-3 становится сверхтекучестью ниже 0,0025 К. Вскоре было подтверждено, что сверхтекучесть гелия-3 возникает из-за механизма, подобного БКШ. [а]
Создание первых фермионных конденсатов [ править ]
Когда в 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман создали конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия , естественно возникла перспектива создания подобного типа конденсата из фермионных атомов, который по механизму БКШ образовал бы сверхтекучую жидкость. Однако ранние расчеты показали, что температура, необходимая для образования куперовских пар в атомах, будет слишком низкой для достижения. В 2001 году Мюррей Холланд из JILA предложил способ обойти эту трудность. Он предположил, что фермионные атомы можно уговорить образовать пары, подвергнув их воздействию сильного магнитного поля .
В 2003 году, работая над предложением Холланда, Дебора Джин из JILA, Рудольф Гримм из Университета Инсбрука и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института сумели уговорить фермионные атомы сформировать молекулярные бозоны, которые затем подверглись конденсации Бозе-Эйнштейна. Однако это не был настоящий фермионный конденсат. 16 декабря 2003 года Джину впервые удалось получить конденсат из фермионных атомов. В эксперименте участвовало 500000 атомов калия -40, охлажденных до температуры 5 · 10 -8 К, подвергнутых воздействию изменяющегося во времени магнитного поля. [2]
Примеры [ править ]
Хиральный конденсат [ править ]
Киральный конденсат представляет собой пример фермионного конденсата , который появляется в теории безмассовых фермионов с хиральной симметрией нарушением, такие , как теория кварков в квантовой хромодинамике .
Теория BCS [ править ]
Теория BCS о сверхпроводимости имеет фермионный конденсат. Пара электронов в металле с противоположными спинами может образовывать скалярное связанное состояние, называемое куперовской парой . Сами связанные состояния затем образуют конденсат. Поскольку куперовская пара имеет электрический заряд , этот фермионный конденсат нарушает электромагнитную калибровочную симметрию сверхпроводника, вызывая чудесные электромагнитные свойства таких состояний.
QCD [ править ]
В квантовой хромодинамике (КХД) киральный конденсат также называют кварковым конденсатом . Это свойство вакуума КХД частично отвечает за придание массы адронам (наряду с другими конденсатами, такими как глюонный конденсат ).
В приближенной версии КХД, которая имеет нулевые массы кварков для N ароматов кварков , существует точная киральная SU ( N ) × SU ( N ) -симметрия теории. Вакуума КХД нарушает эту симметрию до SU ( N ) путем формирования кварковую конденсата. Впервые существование такого фермионного конденсата было явно показано в решеточной формулировке КХД. Таким образом, кварковый конденсат является параметром порядка переходов между несколькими фазами кварковой материи в этом пределе.
Это очень похоже на теорию сверхпроводимости БКШ . Эти пары Купера аналогичны псевдоскалярные мезоны . Однако вакуум не несет заряда. Следовательно, все калибровочные симметрии не нарушены. Поправки на массы кварков могут быть введены с помощью киральной теории возмущений .
Сверхтекучий гелий-3 [ править ]
Гелий-3 атом является фермионным и при очень низких температурах, то они образуют два атома куперовских пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучий . Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.
См. Также [ править ]
- Ферми газ
- Бозе-газ
Сноски [ править ]
- ^ Теория сверхтекучего гелия-3 немного сложнее, чем теория сверхпроводимости БКШ. Эти сложности возникают из-за того, что атомы гелия отталкивают друг друга намного сильнее, чем электроны, но основная идея остается той же.
Ссылки [ править ]
- ^ Демарко, Брайан; Бон, Джон; Корнелл, Эрик (2006). «Дебора С. Джин 1968–2016» . Природа . 538 (7625): 318. DOI : 10.1038 / 538318a . ISSN 0028-0836 . PMID 27762370 .
- ^ а б Регал, Калифорния; Greiner, M .; Джин, Д.С. (28 января 2004 г.). «Наблюдение резонансной конденсации пар фермионных атомов». Письма с физическим обзором . 92 (4): 040403. arXiv : cond-mat / 0401554 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.92.040403 . PMID 14995356 . S2CID 10799388 .
Источники [ править ]
- Гено, Тони (2003). Основные сверхтекучие жидкости . Тейлор и Фрэнсис . ISBN 978-0-7484-0892-4.
- «Ученые NIST / Университета Колорадо создают новую форму материи: фермионный конденсат» (пресс-релиз). Колорадский университет. 28 января 2004 года архив с оригинала на 7 декабря 2006 года.
- Роджерс, Питер; Дюме, Белл (28 января 2004 г.). «Дебют фермионного конденсата» . Мир физики . Дата обращения 29 июн 2019 .</ref>
- Хэглер, доктор наук (2010). «Структура адрона из решеточной квантовой хромодинамики». Отчеты по физике . 490 (3–5): 49–175. arXiv : 0912.5483 . DOI : 10.1016 / j.physrep.2009.12.008 . ISSN 0370-1573 .
