Fermioninen kondensaatti

Fermionien ja bosonien välinen ero

Bosonit ja fermionit ovat subatomisia hiukkasia (atomia pienempiä aineen palasia). Bosonin ja fermionin erona on atomin elektronien, neutronien ja/tai protonien lukumäärä. Atomi koostuu bosoneista, jos sillä on parillinen määrä elektroneja. Atomi koostuu fermioneista, jos sillä on pariton määrä elektroneja, neutroneita ja protoneja. Esimerkki bosonista olisi gluoni. Esimerkki fermionista olisi kalium-40, jota Deborah Jin käytti kaasupilvenä. Bosonit voivat muodostaa kokkareita ja vetävät toisiaan puoleensa, kun taas fermionit eivät muodosta kokkareita. Fermionit esiintyvät yleensä suorissa säikeissä, koska ne hylkivät toisiaan. Tämä johtuu siitä, että fermionit noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta, jonka mukaan ne eivät voi kokoontua samaan kvanttitilaan.

Tämä on alkeishiukkasten standardimalli, josta käytetään yleensä nimitystä standardimalli.

Samankaltaisuus Bose-Einsteinin kondensaatin kanssa

Bose-Einsteinin kondensaattien tavoin fermikondensaatit sulautuvat (kasvavat yhteen yhdeksi kokonaisuudeksi) niitä muodostavien hiukkasten kanssa. Bose-Einsteinin kondensaatit ja fermikondensaatit ovat myös molemmat ihmisen luomia aineen tiloja. Hiukkaset, jotka muodostavat nämä aineen tilat, on jäähdytettävä keinotekoisesti, jotta niillä olisi sellaiset ominaisuudet kuin niillä on. Fermikondensaatit ovat kuitenkin saavuttaneet vielä matalampia lämpötiloja kuin Bose-Einsteinin kondensaatit. Molemmilla aineentiloilla ei myöskään ole viskositeettia, mikä tarkoittaa, että ne voivat virrata pysähtymättä.

Helium-3 ja fermionit

Fermikondensaatin luominen on hyvin vaikeaa. Fermionit noudattavat poissulkemisperiaatetta, eivätkä ne vedä toisiaan puoleensa. Ne hylkivät toisiaan. Jin ja hänen tutkimusryhmänsä löysivät keinon sulauttaa ne yhteen. He säätivät ja sovelsivat magneettikenttää vastakkain oleviin fermioneihin, jolloin ne alkoivat menettää ominaisuuksiaan. Fermionit säilyttivät edelleen osan luonteestaan, mutta käyttäytyivät hieman kuin bosonit. Tämän avulla he pystyivät saamaan erilliset fermioniparit sulautumaan toisiinsa yhä uudelleen ja uudelleen. Rouva Jin epäilee, että tämä pariliitosprosessi on sama myös Helium-3:ssa, joka on myös superneste. Tämän tiedon perusteella he voivat hypoteesata (tehdä valistuneen arvauksen), että myös fermionikondensaatit virtaavat ilman viskositeettia.

Suprajohtavuus ja fermioniset kondensaatit

Toinen tähän liittyvä ilmiö on suprajohtavuus. Suprajohtavuudessa parittaiset elektronit voivat virrata 0-viskositeetilla. Suprajohtavuus kiinnostaa melko paljon, koska se voi olla halvempi ja puhtaampi sähkönlähde. Sitä voitaisiin käyttää myös leijuvien junien ja leijuvaunujen käyttövoimana.

Tämä voi kuitenkin tapahtua vain, jos tutkijat pystyvät luomaan tai löytämään materiaaleja, jotka ovat suprajohteita huoneenlämmössä. Nobel-palkinto myönnetäänkin sille, joka onnistuu valmistamaan huoneenlämpöisen suprajohteen. Tällä hetkellä ongelmana on, että tutkijoiden on työskenneltävä suprajohteiden kanssa noin -135 °C:n lämpötilassa. Tällöin käytetään nestemäistä typpeä ja muita menetelmiä äärimmäisen kylmien lämpötilojen aikaansaamiseksi. Tämä on tietysti työlästä, minkä vuoksi tutkijat käyttävät mieluummin huoneenlämpöisiä suprajohteita. Rouva Jinin työryhmä uskoo, että parillisten elektronien korvaaminen parillisilla fermioneilla johtaisi huoneenlämpöiseen suprajohteeseen.

Suprajohtavuus. Tämä on Meissnerin vaikutus.