Kondensat fermion: sifat, kegunaan, dan contoh

Kondensat fermion adalah, dalam arti ketat, gas yang sangat encer terdiri dari atom fermion yang telah mengalami suhu mendekati nol mutlak. Dengan cara ini, dan di bawah kondisi yang sesuai, mereka masuk ke fase superfluida, membentuk keadaan agregasi materi yang baru .

Kondensat fermion pertama diperoleh pada 16 Desember 2003 di Amerika Serikat, berkat tim fisikawan dari berbagai universitas dan institusi. Eksperimen tersebut menggunakan sekitar 500 ribu atom kalium-40 yang dikenai medan magnet variabel dan suhu 5 x 10 -8 Kelvin.

Magnet superkonduktor. Sumber: pixabay

Suhu itu dianggap mendekati nol mutlak dan jauh lebih rendah daripada suhu ruang antargalaksi, yang kira-kira 3 Kelvin. Suhu nol mutlak dipahami sebagai 0 Kelvin, yang setara dengan -273,15 derajat Celcius. Jadi 3 Kelvin sama dengan -270,15 derajat Celcius.

Beberapa ilmuwan menganggap kondensat fermion sebagai keadaan baru materi. Empat keadaan pertama paling akrab bagi semua orang: padat, cair, gas, dan plasma.

Sebelumnya, keadaan materi kelima telah diperoleh ketika kondensat atom bosonik tercapai. Kondensat pertama ini dibuat pada tahun 1995 dari gas rubidium-87 yang sangat encer yang didinginkan hingga 17 x 10 -8 Kelvin.

Pentingnya suhu rendah

Atom berperilaku sangat berbeda pada suhu mendekati nol mutlak, tergantung pada nilai momentum sudut intrinsiknya, atau putarannya.

Ini membagi partikel dan atom menjadi dua kategori:

– Boson, yaitu yang memiliki putaran bilangan bulat (1, 2, 3,…).

– Fermion, yaitu yang memiliki putaran semi-bilangan bulat (1/2, 3/2, 5/2,…).

Boson tidak memiliki batasan, dalam arti bahwa dua atau lebih dari mereka dapat menempati keadaan kuantum yang sama.

Di sisi lain, fermion memenuhi prinsip larangan Pauli: dua atau lebih fermion tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama, atau dengan kata lain: hanya ada satu fermion per keadaan kuantum.

Perbedaan mendasar antara boson dan fermion ini membuat kondensat fermion lebih sulit diperoleh daripada yang bosonik.

Agar fermion menempati semua tingkat kuantum terendah, fermion sebelumnya perlu disejajarkan secara berpasangan, untuk membentuk apa yang disebut ” pasangan Cooper ” yang memiliki perilaku bosonik.

Sejarah dan sifat

Kembali pada tahun 1911, ketika Heike Kamerlingh Onnes sedang mempelajari resistensi merkuri yang mengalami suhu sangat rendah menggunakan helium cair sebagai pendingin, ia menemukan bahwa setelah mencapai suhu 4,2 K (-268,9 Celcius) resistensi turun tiba-tiba menjadi nol..

Superkonduktor pertama telah ditemukan dengan cara yang tidak terduga.

Tanpa disadari, HK Onnes telah berhasil menempatkan semua elektron konduksi pada tingkat kuantum terendah, fakta yang pada prinsipnya tidak mungkin karena elektron adalah fermion.

Telah dicapai bahwa elektron lolos ke fase superfluida di dalam logam, tetapi karena mereka memiliki muatan listrik, mereka menyebabkan aliran muatan listrik dengan viskositas nol dan akibatnya nol hambatan listrik.

HK Onnes sendiri di Leiden, Belanda telah menemukan bahwa helium yang digunakannya sebagai refrigeran menjadi superfluida ketika suhu mencapai 2,2 K (-270,9 Celcius).

Tanpa disadari, HK Onnes untuk pertama kalinya berhasil menyatukan atom-atom helium pada tingkat kuantum terendah yang dengannya ia mendinginkan merkuri. Secara sepintas ia juga menyadari bahwa ketika suhu berada di bawah suhu kritis tertentu, helium masuk ke fase superfluida (kekentalan nol).

Teori superkonduktivitas

Helium-4 adalah boson dan berperilaku seperti itu, itulah mengapa dimungkinkan untuk beralih dari fase cair normal ke fase superfluida.

Namun tak satu pun dari ini dianggap sebagai kondensat fermion atau bosonik. Dalam kasus superkonduktivitas, fermion, seperti elektron, berada di dalam kisi kristal merkuri; dan dalam kasus helium superfluida, helium telah berpindah dari fase cair ke fase superfluida.

Penjelasan teoritis untuk superkonduktivitas datang kemudian. Ini adalah teori BCS terkenal yang dikembangkan pada tahun 1957.

Teori menyatakan bahwa elektron berinteraksi dengan kisi kristal membentuk pasangan yang bukannya saling tolak menolak, menarik satu sama lain, membentuk “pasangan Cooper” yang bertindak sebagai boson. Dengan cara ini, elektron secara keseluruhan dapat menempati keadaan kuantum energi terendah, selama suhunya cukup rendah.

Bagaimana cara menghasilkan kondensat fermion?

Kondensat fermion atau boson yang sah harus dimulai dari gas yang sangat encer yang terdiri dari atom fermion atau bosonik, yang didinginkan sedemikian rupa sehingga semua partikelnya masuk ke keadaan kuantum terendah.

Karena ini jauh lebih rumit daripada mendapatkan kondensat boson, baru-baru ini jenis kondensat ini telah dibuat.

Fermion adalah partikel atau konglomerat partikel dengan putaran setengah utuh. Elektron, proton, dan neutron adalah partikel -spin.

Inti helium-3 (dua proton dan satu neutron) berperilaku seperti fermion. Atom netral kalium-40 memiliki 19 proton + 21 neutron + 19 elektron, yang berjumlah ganjil 59, sehingga berperilaku sebagai fermion.

Partikel perantara

Partikel mediasi interaksi adalah boson. Di antara partikel-partikel ini kita dapat menamai yang berikut ini:

– Foton (mediator elektromagnetisme).

– Gluon (perantara interaksi nuklir kuat).

– Boson Z dan W (perantara interaksi nuklir lemah).

– Graviton (mediator interaksi gravitasi).

boson majemuk

Di antara senyawa boson adalah sebagai berikut:

– Inti Deuterium (1 proton dan 1 neutron).

– Atom Helium-4 (2 proton + 2 neutron + 2 elektron).

Selama jumlah proton, neutron, dan elektron dari atom netral menghasilkan bilangan bulat, perilakunya akan menjadi boson.

Bagaimana kondensat fermion diperoleh

Setahun sebelum mencapai kondensat fermion, pembentukan molekul dengan atom fermion yang membentuk pasangan yang berpasangan erat yang berperilaku seperti boson telah tercapai. Namun ini tidak dianggap sebagai kondensat fermion murni, melainkan menyerupai kondensat bosonik.

Tetapi apa yang dicapai pada 16 Desember 2003, oleh tim Deborah Jin, Markus Greiner, dan Cindy Regal dari laboratorium JILA di Boulder, Colorado, adalah pembentukan kondensat dari pasangan atom fermion individu dalam gas.

Dalam hal ini pasangan atom tidak membentuk molekul, tetapi bergerak bersama secara berkorelasi. Jadi, secara keseluruhan, pasangan atom fermion bertindak sebagai boson, maka kondensasi mereka telah tercapai.

Untuk mencapai kondensasi ini, tim JILA memulai dari gas dengan atom kalium-40 (yang merupakan fermion), yang dikurung dalam perangkap optik pada 300 nanokelvin.

Gas kemudian mengalami medan magnet berosilasi untuk mengubah interaksi tolak-menolak antara atom dan mengubahnya menjadi menarik, melalui fenomena yang dikenal sebagai “resonansi Fesbach.”

Menyesuaikan parameter medan magnet dengan tepat memungkinkan atom membentuk pasangan Cooper alih-alih molekul. Kemudian dilanjutkan pendinginan untuk mendapatkan kondensat fermion.

Kegunaan dan contoh

Teknologi yang dikembangkan untuk mencapai kondensat fermion, di mana atom praktis dimanipulasi hampir secara individual, akan memungkinkan pengembangan komputasi kuantum, di antara teknologi lainnya.

Ini juga akan meningkatkan pemahaman tentang fenomena seperti superkonduktivitas dan superfluiditas, memungkinkan material baru dengan sifat khusus. Selain itu, telah ditemukan bahwa ada titik tengah antara superfluiditas molekul dan yang konvensional melalui pembentukan pasangan Cooper.

Manipulasi atom ultradingin akan memungkinkan kita untuk memahami perbedaan antara dua cara menghasilkan superfluida ini, yang pasti akan mengarah pada pengembangan superkonduktivitas suhu tinggi.

Faktanya, saat ini ada superkonduktor yang meskipun tidak bekerja pada suhu kamar, tetapi bekerja pada suhu nitrogen cair, yang relatif murah dan mudah diperoleh.

Memperluas konsep kondensat fermion di luar gas atom fermion, banyak contoh dapat ditemukan di mana fermion secara kolektif menempati tingkat kuantum berenergi rendah.

Yang pertama seperti yang telah dikatakan adalah elektron dalam superkonduktor. Ini adalah fermion yang sejajar berpasangan untuk menempati tingkat kuantum terendah pada suhu rendah, menunjukkan perilaku seperti bosonik kolektif dan mengurangi viskositas dan resistensi ke nol.

Contoh lain dari pengelompokan fermion dalam keadaan energi rendah adalah kondensat kuark. Juga atom helium-3 adalah fermion, tetapi pada suhu rendah membentuk pasangan Cooper dari dua atom yang berperilaku seperti boson dan menunjukkan perilaku superfluida.

Referensi

  1. K Goral dan K Burnett. Fermion pertama untuk kondensat. Dipulihkan dari: physicalworld.com
  2. M Grainer, C Regal, D Jin. kondensat Fermi. Diperoleh dari: users.physics.harvard.edu
  3. P Rodgers dan B Dume. Kondensat Fermion memulai debutnya. Dipulihkan dari: physicalworld.com.
  4. Wikiwand. Kondensat Fermion. Dipulihkan dari Wikiwand.com
  5. Wikiwand. Kondensat Fermion. Dipulihkan dari Wikiwand.com

Related Posts