A フェルミ凝縮物は厳密な意味では、非常に希ガスが絶対零度に近い温度にさらされたフェルミ原子から成っています。このようにして、適切な条件下で、それらは超流動相に入り、物質の新しい凝集状態を形成します。
最初のフェルミオン凝縮体は、さまざまな大学や機関の物理学者のチームのおかげで、2003年12月16日に米国で取得されました。この実験では、変動磁場と5 x 10 -8ケルビンの温度に曝された約50万個のカリウム-40原子を使用しました。
超電導マグネット。ソース：pixabay
その温度は絶対零度に近いと考えられており、銀河間空間の温度である約3ケルビンよりもはるかに低いです。温度の絶対零度は摂氏-273.15度に相当する0ケルビンであると理解されています。したがって、3ケルビンは摂氏-270.15度に相当します。
一部の科学者は、フェルミオン凝縮体を物質の性の状態と見なしています。最初の4つの状態は、固体、液体、気体、プラズマのすべての人に最もよく知られています。
以前は、ボソン原子の凝縮体が達成されたときに第5の物質状態が得られていました。この最初の凝縮物は、17 x 10 -8ケルビンに冷却された非常に希薄なルビジウム87ガスから1995年に作成されました。
低温の重要性
原子は、固有の角運動量またはスピンの値に応じて、絶対零度に近い温度では非常に異なる動作をします。
これにより、粒子と原子が2つのカテゴリに分類されます。
-ボソン、つまり整数スピン（1、2、3、…）のボソン。
-半整数スピン（1 / 2、3 / 2、5 / 2、…）を持つフェルミオン。
ボソンは、それらの2つ以上が同じ量子状態を占めることができるという意味で、制限はありません。
代わりに、フェルミオンはパウリの排他原理に準拠します。2つ以上のフェルミオンが同じ量子状態を占有することはできません。つまり、量子状態ごとに1つのフェルミオンしか存在できません。
ボソンとフェルミオンのこの根本的な違いにより、フェルミオン凝縮体はボソニック凝縮体よりも入手が困難になります。
フェルミオンがすべての最も低い量子レベルを占めるためには、それらが以前にペアで整列し、ボソン的な振る舞いをするいわゆる「クーパーペア」を形成することが必要です。
歴史、基礎、特性
1911年に、Heike Kamerlingh Onnesが液体ヘリウムを冷却剤として使用して非常に低温にさらされた水銀の抵抗を研究していたとき、彼は4.2 K（-268.9摂氏）の温度に達すると抵抗が突然ゼロに低下することを発見しました。 。
最初の超伝導体は予想外の方法で発見されました。
それを知らずに、HKオンネスは伝導電子をすべて最低量子レベルにまとめることができました。電子はフェルミオンであるため、原理的には不可能です。
電子が金属内部の超流動相に移動することは達成されましたが、電子は電荷を持っているため、粘度がゼロで電気抵抗がゼロの電荷の流れを引き起こします。
オランダのライデンにあるHK Onnes自身、2.2 K（-270.9摂氏）の温度に達すると、彼が冷媒として使用したヘリウムが超流動状態になることを発見しました。
知らないうちに、HKオンネスは初めて、ヘリウム原子を一緒にして、水銀を最低量子レベルに冷却することに成功しました。ついでに、彼は、温度が特定の臨界温度を下回ると、ヘリウムが超流動相（ゼロ粘度）に移行することにも気付きました。
超伝導の理論
ヘリウム4はボソンであり、そのように動作するため、通常の液相から超流動相に移行することができました。
ただし、これらはどちらもフェルミオン凝縮またはボソン凝縮ではありません。超伝導の場合、電子のようなフェルミオンは水銀の結晶格子内にありました。そして、超流動ヘリウムの場合、それは液相から超流動相に移動した。
超伝導の理論的な説明は後で来ました。これは、1957年に開発された有名なBCS理論です。
理論によると、電子は結晶格子と相互作用してペアを形成し、互いに反発する代わりに互いに引き付け合い、ボソンとして機能する「クーパーペア」を形成します。このようにして、温度が十分に低い限り、電子は全体として最低エネルギーの量子状態を占めることができます。
フェルミオン凝縮を生成する方法は？
正当なフェルミオンまたはボソン凝縮体は、フェルミオン原子またはボソニック原子で構成された非常に希薄なガスから始まり、その粒子がすべて最低の量子状態になるように冷却されます。
これはボソン凝縮を取得するよりもはるかに複雑であるため、これらのタイプの凝縮が作成されたのはごく最近のことです。
フェルミオンは、粒子または粒子の集まりであり、スピン全体が半分です。電子、陽子、中性子はすべてallスピン粒子です。
ヘリウム3の原子核（2つの陽子と1つの中性子）は、フェルミオンのように振る舞います。カリウム40の中性原子には、19個の陽子+ 21個の中性子+ 19個の電子があり、合計で奇数59になるため、フェルミオンとして振る舞います。
メディエーター粒子
相互作用の媒介粒子はボソンです。これらの粒子の中で、次の名前を付けることができます。
-光子（電磁気のメディエーター）。
-グルーオン（強い核相互作用の仲介者）。
-ボソンZとW（弱い核相互作用のメディエーター）。
-グラビトン（重力相互作用のメディエーター）。
複合ボソン
複合ボソンの中には次のものがあります：
-重水素核（陽子1つと中性子1つ）。
-ヘリウム4原子（2陽子+ 2中性子+ 2電子）。
中性原子の陽子、中性子、電子の合計が整数になるときはいつでも、振る舞いはボソンになります。
フェルミオン凝縮体がどのようにして得られたか
フェルミオン凝縮体を実現する1年前に、ボソンのように振る舞う密結合ペアを形成するフェルミオン原子を持つ分子の形成が実現されていました。ただし、これは純粋なフェルミオン凝縮体とは見なされず、むしろボソン凝縮体に似ています。
しかし、2003年12月16日、コロラド州ボルダーにあるJILA研究所のDeborah Jin、Markus Greiner、およびCindy Regalのチームによって達成されたのは、ガス中の個々のフェルミオン原子のペアの凝縮体の形成でした。
この場合、原子のペアは分子を形成しませんが、相関して移動します。したがって、全体として、フェルミオン原子のペアはボソンとして機能するため、それらの凝縮が達成されました。
この凝縮を実現するために、JILAチームはカリウム-40原子（フェルミオン）を含むガスから出発し、300ナノケルビンの光トラップに閉じ込められました。
次に、ガスは振動磁場にさらされ、「フェスバッハ共鳴」として知られている現象を通じて、原子間の反発相互作用を変化させ、それを魅力的な相互作用に変えます。
磁場のパラメータを適切に調整することにより、原子は分子ではなくクーパー対を形成します。その後、冷却を続けてフェルミオン凝縮体を得ます。
アプリケーションと例
原子がほぼ個別に操作されるフェルミオン凝縮体を実現するために開発された技術は、他の技術の中でも特に量子コンピューティングの開発を可能にします。
また、超伝導や超流動などの現象の理解を深め、特別な特性を持つ新しい材料を可能にします。さらに、クーパー対の形成により、分子の超流動性と従来の超流動性の間に中間点があることが発見されました。
超冷原子の操作により、超流動体を生成するこれらの2つの方法の違いを理解できるようになり、確実に高温超電導が発達します。
実際、今日では、超伝導体は存在しますが、室温では機能しませんが、液体窒素の温度で機能するため、比較的安価で入手が容易です。
フェルミオン凝縮体の概念を原子フェルミオンガスを超えて拡張すると、フェルミオンが集合的に低エネルギー量子レベルを占める多くの例が見つかります。
すでに述べた最初のものは超伝導体の電子です。これらはペアで整列して低温で最低の量子準位を占めるフェルミオンであり、集団的なボソンのような振る舞いを示し、粘度と抵抗をゼロに減らします。
低エネルギー状態におけるフェルミオンのグループ化の別の例は、クォーク凝縮です。また、ヘリウム3原子はフェルミオンですが、低温では2つの原子のクーパーペアを形成し、ボソンのように振舞い、超流動挙動を示します。
参考文献
- KゴラルとKバーネット。フェルミオンが最初に凝縮体に。から回復：physicsworld.com
- Mグライナー、Cリーガル、Dジン。フェルミ凝縮。取得元：users.physics.harvard.edu
- PロジャースとBデュメ。フェルミオン凝縮体がデビューします。から回復：physicsworld.com。
- ウィキワンド。フェルミオン凝縮体。Wikiwand.comから復元
- ウィキワンド。フェルミオン凝縮体。Wikiwand.comから復元