Фермионный конденсат
 | Эта статья включает список литературы , связанную литературу или внешние ссылки , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . ( сентябрь 2018 г. ) |
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
Фермионный конденсат (или конденсат Ферми – Дирака ) представляет собой сверхтекучую фазу, образованную фермионными частицами при низких температурах . Он тесно связан с конденсатом Бозе-Эйнштейна — сверхтекучей фазой, образующейся бозонными атомами в аналогичных условиях. Самый ранний известный фермионный конденсат описывал состояние электронов в сверхпроводнике ; физика других примеров, включая недавние работы с фермионными атомами , аналогична. Первый атомно-фермионный конденсат был создан командой под руководством Деборы С. Джин с использованием атомов калия-40 в Университете Колорадо в Боулдере в 2003 году. [1] [2]
Фон
[ редактировать ]Сверхтекучесть
[ редактировать ]Фермионные конденсаты достигаются при более низких температурах, чем конденсаты Бозе – Эйнштейна. Фермионные конденсаты — это разновидность сверхтекучести . Как следует из названия, сверхтекучая жидкость обладает свойствами жидкости, аналогичными свойствам обычных жидкостей и газов , такими как отсутствие определенной формы и способность течь в ответ на приложенные силы. Однако сверхтекучие жидкости обладают некоторыми свойствами, которых нет в обычном веществе. Например, они могут течь с высокими скоростями, не рассеивая никакой 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. Сверхтекучесть первоначально была обнаружена в жидком гелии-4, атомы которого являются бозонами , а не фермионами.
Фермионные сверхтекучие жидкости
[ редактировать ]Создать фермионную сверхтекучую жидкость гораздо сложнее, чем бозонную, поскольку принцип Паули запрещает фермионам занимать одно и то же квантовое состояние . Однако существует хорошо известный механизм образования сверхтекучей жидкости из фермионов: этот механизм — переход БКШ , открытый в 1957 году Дж. Бардином , Л. Н. Купером и Р. Шриффером для описания сверхпроводимости. Эти авторы показали, что ниже определенной температуры электроны (которые являются фермионами) могут объединяться в пары, образуя связанные пары, теперь известные как куперовские пары . Пока столкновения с ионной решеткой твердого тела не дадут достаточно энергии для разрыва куперовских пар, электронная жидкость сможет течь без диссипации. В результате она становится сверхтекучей, а материал, через который она течет, — сверхпроводником.
Теория БКШ оказалась феноменально успешной при 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 получили подтверждение в 1971 г., когда эксперименты, проведенные Д. Д. Ошеровым, показали, что гелий-3 становится сверхтекучим ниже 0,0025 К. Вскоре было подтверждено, что сверхтекучесть гелия-3 возникает по механизму, подобному БКШ. [а]
Конденсаты фермионных атомов
[ редактировать ]Когда Эрик Корнелл и Карл Виман в 1995 году получили конденсат Бозе-Эйнштейна из рубидия атомов , естественным образом возникла перспектива создания аналогичного типа конденсата из фермионных атомов, который по механизму БКШ образовывал бы сверхтекучую жидкость. Однако ранние расчеты показали, что температура, необходимая для образования куперовской пары 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 объединить в пары, подвергнув их сильному магнитному полю .
В 2003 году, работая над предложением Холланда, Дебора Джин из JILA, Рудольф Гримм из Инсбрукского университета и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института сумели убедить фермионные атомы образовать молекулярные бозоны, которые затем подверглись конденсации Бозе-Эйнштейна. Однако это не был настоящий фермионный конденсат. 16 декабря 2003 года Цзину впервые удалось получить конденсат из фермионных атомов. В эксперименте участвовало 500 000 атомов калия -40, охлажденных до температуры 5×10 −8 K, подвергнутый воздействию изменяющегося во времени магнитного поля. [2]
Примеры
[ редактировать ]Хиральный конденсат
[ редактировать ]Киральный конденсат — пример фермионного конденсата, который появляется в теориях безмассовых фермионов с нарушением киральной симметрии , таких как теория кварков в квантовой хромодинамике .
Теория БКШ
[ редактировать ]фермионный Теория сверхпроводимости БКШ имеет . конденсат Пара электронов в металле с противоположными спинами может образовывать скалярное связанное состояние, называемое куперовской парой . Сами связанные состояния тогда образуют конденсат. Поскольку куперовская пара имеет электрический заряд , этот фермионный конденсат нарушает электромагнитную калибровочную симметрию сверхпроводника, приводя к чудесным электромагнитным свойствам таких состояний.
КХД
[ редактировать ]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 кварков ароматов , существует точная киральная SU( N ) × SU( N ) -симметрия теории. Вакуум КХД нарушает эту симметрию до SU( N ), образуя кварковый конденсат. Существование такого фермионного конденсата было впервые явно показано в решеточной формулировке КХД. Таким образом, в этом пределе кварковый конденсат является параметром порядка переходов между несколькими фазами кварковой материи .
Это очень похоже на БКШ теорию сверхпроводимости . Куперовы пары аналогичны псевдоскалярным мезонам . Однако вакуум не несет заряда. Следовательно, все калибровочные симметрии не нарушены. Поправки на массы кварков можно внести с помощью киральной теории возмущений .
Гелий-3 сверхтекучий
[ редактировать ]Атом гелия-3 является фермионом и при очень низких температурах образует двухатомные куперовские пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучее состояние . Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ Теория сверхтекучего гелия-3 немного сложнее, чем теория сверхпроводимости БКШ. Эти сложности возникают потому, что атомы гелия отталкивают друг друга гораздо сильнее, чем электроны, но основная идея та же.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ДеМарко, Брайан; Бон, Джон; Корнелл, Эрик (2006). «Дебора С. Джин 1968–2016» . Природа . 538 (7625): 318. дои : 10.1038/538318a . ISSN 0028-0836 . ПМИД 27762370 .
- ^ Перейти обратно: а б Регал, Калифорния; Грейнер, М.; Джин, DS (28 января 2004 г.). «Наблюдение резонансной конденсации пар фермионных атомов». Письма о физических отзывах . 92 (4): 040403. arXiv : cond-mat/0401554 . Бибкод : 2004PhRvL..92d0403R . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.040403 . ПМИД 14995356 . S2CID 10799388 .
Источники
[ редактировать ]- Гено, Тони (2003). Основные сверхтекучие жидкости . Тейлор и Фрэнсис . ISBN 978-0-7484-0892-4 .
- «Ученые НИСТ/Университета Колорадо создают новую форму материи: фермионный конденсат» (пресс-релиз). Университет Колорадо. 28 января 2004 г. Архивировано из оригинала 7 декабря 2006 г.
- Роджерс, Питер; Дюме, Белл (28 января 2004 г.). «Дебют фермионного конденсата» . Мир физики . Проверено 29 июня 2019 г. </ref>
- Хэглер, доктор философии (2010). «Адронная структура из решеточной квантовой хромодинамики». Отчеты по физике . 490 (3–5): 49–175. arXiv : 0912.5483 . Бибкод : 2010PhR...490...49H . дои : 10.1016/j.physrep.2009.12.008 . ISSN 0370-1573 .
