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费米子凝聚态是物质存在的第六态。根据"费米子凝聚态"研究小组负责人德博拉·金的介绍,"费米子凝聚态"与"玻色一爱因斯坦凝聚态"都是物质在量子状态下的形态,但处于"费米子凝聚态"的物质不是超导体。人类生存的世界,是一个物质的世界。然而,这个世界还有许多人们肉眼看不到的物质。过去,人们只知道物质有三态,即气态、液态和固态。20世纪中期,科学家确认物质第四态,即"等离子体态"。1995年,美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组,首次创造出物质的第五态,即"玻色一爱因斯坦凝聚态"。2004年,这个联合研究小组又宣布,他们创造出物质的第六种形态,即"费米子凝聚态"。

基本信息

  • 中文名称

    费米子凝聚态

  • 外文名称

    Fermionic condensate

  • 得名于

    意大利物理学家费米

  • 概述

    物质存在的第六态

  • 提出时间

    2004年

折叠 编辑本段 定义

量子力学认为,粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类:一类是费米子,得名于意大利物理学家费米;另一类是玻色子,得名于印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别,在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,费米子则与之相反,更像是"个人主义者",各自占据着不同的量子态。"玻色一爱因斯坦凝聚态"物质由玻色子构成,其行为像一个大超级原子,而"费米子凝聚态"物质采用的是费米子。当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,就像人群涌向一段狭窄的楼梯,这种状态称作"费米子凝聚态"。

折叠 编辑本段 产生过程

物质第四态(等离子态)

人们通常所见的物质是由分子、原子构成的。处于气态的物质,其分子与分子之间距离较大。而对液态物质来说,构成它们的分子彼此靠得很近;分子一个挨着一个,它的密度要比气态的大得多。至于固态物质,它们的原子一个挨着一个,并相互牵拉,这就是固体比液体硬的原因。而被激发的电离气体电离到一定程度后,便处于导电状态,这种状态的电离气体表现出集体行为,即电离气体中每一带电粒子的运动,都会影响其周围带电粒子,同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等,所以电离气体整体表现出电中性,这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同,故称为物质第四态。

玻色一爱因斯坦凝聚态

所谓"玻色一爱因斯坦凝聚态",是科学巨匠爱因斯坦在70 年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象,世界科学家为此付出了几十年的努力。 1995年,美国科学家维曼、康奈尔和德国科学家克特勒首先从实验上证实了这个新物态的存在。为此,2001年度诺贝尔物理学奖授予了这3位科学家,以表彰他们在实现"玻色一爱因斯坦凝聚态"研究中作出的突出贡献。"玻色一爱因斯坦凝聚态" 是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的"凝聚"与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然"凝聚" 到同一状态,要达到该状态,一方面需要物质达到极低的温度,另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文,曾因研究出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法,而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。"玻色一爱因斯坦凝聚态"所具有的奇特性质,不仅对基础研究有重要意义,在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域,也都有很好的应用前景。

发现过程

科学家们在1995年已成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温,获得所谓的 "玻色一爱因斯坦凝聚态"。由于没有任何2个费米子能拥有相同的量子态,费米子的凝聚一直被认为不可能实现。物理学家找到了一个克服以上障碍的方法,他们将费米子成对转变成玻色子。这一研究为创造"费米子凝聚态"铺平了道路。

德博拉·金领导的联合研究小组,将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度,此时钾原子停止运动。绝对零度相当于一273.15℃。试验中,科学家用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度。为此,还要把原子放到"磁杯"中进行蒸发冷却。他们将气体约束在真空小室中,并采用磁场和激光使钾原子配对,成功地创造出"费米子凝聚态"。

折叠 编辑本段 区别

首先,费米冷凝体所使用的原子比电子重得多,其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多,在同等密度下,如果使超导体电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度,制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具。当然,如今的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝,而且所获得的冷凝体还相当脆弱--比玻璃还要脆!但这只是技术问题。

折叠 编辑本段 超导体

这项成果在超导技术上的应用前景非常广阔,有助于下一代超导体的诞生,而新一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

折叠 编辑本段 其他信息

本来由于泡利不相容原理,不同的费米子不能占据同一量子态,因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

但科学家通过一种叫库柏对的机制,可以将费米子结合在一起,形成具有玻色子性质的"费米子"。这样这些费米子就可以在温度达到极限的时候,慢慢占据最低能态,就好像大家约好了一群走到一个地方。

而玻色-爱因斯坦凝聚和它的区别是,起先有一个粒子在"唱歌",但在玻色-爱因斯坦凝聚下,粒子好像约好了一起开始唱歌了。

那么可能有的同学会问了:"通过库柏机制形成的费米子组合是玻色子吗?"

上文说中把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的"费米子对"即库柏对。就是回答了这个问题,即组合的费米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性质。不过从自旋方面来说,这些组合粒子也是整数自旋。但从根本上的统计来说,是不同的。

什么是库柏对,是指电子结合在一起的状态。一般来说,电子之间都有微小的引力,由此使得电子的能量低于费米能时,电子就会结合在一起,这一能量降低大约是1meV的量级,一般的温度对应热运动能量相对很大,因此库柏对的现象通常要在低温下超导状态才会出现。库柏对这个概念是的基础是由BCS理论建立,而这个理论是约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗这三人提出的,这也让他们三个人得到诺贝尔奖。

玻色子的凝聚是说所有的粒子的波函数完全一样,但是费米子的凝聚是说,复合子的两个费米子的动量k都不一样,但是它们总的动量都是一样的, 所以凝聚是总动量的凝聚。这也可以从它们的波函数上看出来。

还可以这样表述:在库柏机制下,费米子对可形成束缚态,就像一个复合粒子(原子就是一种典型的复合粒子),而这个复合粒子表现为一个玻色子,所以,费米子对凝聚态本质上就是玻色-爱因斯坦凝聚态。【也就是说没有玻色-爱因斯坦凝聚态机制,费米子凝聚不可能存在!】

玻色-爱因斯坦凝聚态指大量的全同的某类玻色子"凝聚"到完全相同的同一种量子状态之中--这些玻色子的各种物理属性都彼此相同,这是与普通物态最大的不同之处(普通物态的组成粒子的状态总是各不相同的,比如彼此速度不同)。

玻色-爱因斯坦凝聚态是一种新的物质状态,不再是普通的气态或固态,它们之间既有相似之处,又有不同之处。

1、组成粒子不同,气体固体通常都是分子原子构成的,而玻色-爱因斯坦凝聚态构成粒子除了整数自旋的原子分子以外,还可以是别的任何其他的玻色子,如光子处于玻色-爱因斯坦凝聚态是就是激光。

2、构成气体固体的分子原子之间的分子力或化学键(本质都是电磁力)是决定气体固体性质的关键因素;而决定纯粹的玻色-爱因斯坦凝聚态性质的关键因素不是普通的力,而完全是一种纯量子效应的常称为"交换力"的相互作用(本质上是一种态叠加)。

关于玻色-爱因斯坦凝聚,费米凝聚都是科学前沿,我们的想象多丰富都会乏力。所以我的介绍其实不严谨,真正做过这方面实验的人,才是有话语权的。 我们都是理解和试图认识这种现象的人。

摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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