Φερμιονικό συμπύκνωμα

Διαφορά μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων

Τα μποζόνια και τα φερμιόνια είναι υποατομικά σωματίδια (κομμάτια ύλης μικρότερα από ένα άτομο). Η διαφορά μεταξύ ενός μποζονίου και ενός φερμιονίου είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων, νετρονίων ή/και πρωτονίων του ατόμου. Ένα άτομο αποτελείται από μποζόνια αν έχει άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων. Ένα άτομο αποτελείται από φερμιόνια αν έχει περιττό αριθμό ηλεκτρονίων, νετρονίων και πρωτονίων. Παράδειγμα μποζονίου είναι το γκλουόνιο. Ένα παράδειγμα φερμιονίου θα ήταν το κάλιο-40, το οποίο χρησιμοποίησε η Ντέμπορα Τζιν ως αέριο νέφος. Τα μποζόνια μπορούν να σχηματίσουν συσσωματώματα και έλκονται μεταξύ τους, ενώ τα φερμιόνια δεν σχηματίζουν συσσωματώματα. Τα φερμιόνια βρίσκονται συνήθως σε ευθείες χορδές επειδή απωθούνται μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φερμιόνια υπακούουν στην αρχή αποκλεισμού του Pauli, η οποία δηλώνει ότι δεν μπορούν να συγκεντρωθούν στην ίδια κβαντική κατάσταση.

Αυτό είναι το καθιερωμένο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, το οποίο συνήθως αναφέρεται απλώς ως Καθιερωμένο Μοντέλο.

Ομοιότητα με το συμπύκνωμα Bose-Einstein

Όπως τα συμπυκνώματα Bose-Einstein, έτσι και τα συμπυκνώματα φερμί θα συνενωθούν (θα ενωθούν σε μια οντότητα) με τα σωματίδια που τα αποτελούν. Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein και τα συμπυκνώματα fermi είναι επίσης και τα δύο τεχνητές καταστάσεις της ύλης. Τα σωματίδια που συνθέτουν αυτές τις καταστάσεις της ύλης πρέπει να υπερψυχθούν τεχνητά, για να έχουν τις ιδιότητες που έχουν. Ωστόσο, τα συμπυκνώματα fermi έχουν φτάσει σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα συμπυκνώματα Bose-Einstein. Επίσης, και οι δύο καταστάσεις της ύλης δεν έχουν ιξώδες, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να ρέουν χωρίς να σταματούν.

Ήλιο-3 και φερμιόνια

Η δημιουργία ενός συμπυκνώματος φερμίου είναι πολύ δύσκολη. Τα φερμιόνια υπακούουν στην αρχή του αποκλεισμού και δεν έλκονται μεταξύ τους. Απωθούνται μεταξύ τους. Η Jin και η ερευνητική της ομάδα βρήκαν έναν τρόπο να τα συγχωνεύσουν μεταξύ τους. Προσάρμοσαν και εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο στα αντικοινωνικά φερμιόνια, έτσι ώστε να αρχίσουν να χάνουν τις ιδιότητές τους. Τα φερμιόνια εξακολουθούσαν να διατηρούν μέρος του χαρακτήρα τους, αλλά συμπεριφέρονταν λίγο σαν μποζόνια. Χρησιμοποιώντας αυτό, κατάφεραν να κάνουν ξεχωριστά ζεύγη φερμιονίων να συγχωνεύονται μεταξύ τους ξανά και ξανά. Η κ. Jin υποψιάζεται ότι αυτή η διαδικασία ζεύξης είναι η ίδια και στο Ήλιο-3, επίσης ένα υπερρευστό. Με βάση αυτές τις πληροφορίες, μπορούν να υποθέσουν (να κάνουν μια εκπαιδευμένη εικασία) ότι και τα φερμιονικά συμπυκνώματα θα ρέουν χωρίς ιξώδες.

Υπεραγωγιμότητα και φερμιονικά συμπυκνώματα

Ένα άλλο συναφές φαινόμενο είναι η υπεραγωγιμότητα. Στην υπεραγωγιμότητα, τα ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν με 0 ιξώδες. Υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον για την υπεραγωγιμότητα, καθώς μπορεί να αποτελέσει μια φθηνότερη και καθαρότερη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία αιωρούμενων τρένων και αιωρούμενων αυτοκινήτων.

Αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο αν οι επιστήμονες μπορέσουν να δημιουργήσουν ή να ανακαλύψουν υλικά που είναι υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου. Στην πραγματικότητα, ένα βραβείο Νόμπελ θα απονεμηθεί σε εκείνον που θα καταφέρει να κατασκευάσει έναν υπεραγωγό σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή τη στιγμή, το πρόβλημα είναι ότι οι επιστήμονες πρέπει να εργάζονται με υπεραγωγούς στους -135 °C περίπου. Αυτό προϋποθέτει τη χρήση υγρού αζώτου και άλλων μεθόδων για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών. Αυτό είναι φυσικά μια κουραστική δουλειά, γι' αυτό και οι επιστήμονες προτιμούν να χρησιμοποιούν υπεραγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου. Η ομάδα της κ. Jin πιστεύει ότι η αντικατάσταση των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων με τα ζευγαρωμένα φερμιόνια θα είχε ως αποτέλεσμα έναν υπεραγωγό σε θερμοκρασία δωματίου.

Υπεραγωγιμότητα. Πρόκειται για το φαινόμενο Meissner.