费米凝聚

费米凝结物,或称费米凝结物,是一种与玻色-爱因斯坦凝结物非常相似的物质状态(超流体相)。超流体也是玻色-爱因斯坦凝聚物。

唯一不同的是,玻色-爱因斯坦凝聚物是由玻色子组成的,并且彼此之间是社会性的(成群结队,或成团)。而费米凝聚物是反社会性的(它们根本不会相互吸引)。这必须通过人工来实现。

这种状态是由Deborah Jin和她的小组在2003年12月做出的。Jin在科罗拉多大学的国家标准与技术研究所工作。她的团队通过将一团钾-40原子冷却到绝对零度(-273.15℃,这是假设的物理温度最低极限)以上不到百万分之一的温度来创造这种物质状态。这与将物质冷却到玻色-爱因斯坦凝结物所需的温度相同。将气体冷却成凝结物的过程称为凝结。

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Deborah Jin

阿尔伯特-爱因斯坦,20世纪20年代提出玻色-爱因斯坦凝聚物假设的两人之一。Zoom
阿尔伯特-爱因斯坦,20世纪20年代提出玻色-爱因斯坦凝聚物假设的两人之一。

Satyendra Nath Bose,他与爱因斯坦一起提出了玻色-爱因斯坦凝聚物的概念。他还因其玻色-爱因斯坦统计学而闻名。Zoom
Satyendra Nath Bose,他与爱因斯坦一起提出了玻色-爱因斯坦凝聚物的概念。他还因其玻色-爱因斯坦统计学而闻名。

费米子和玻色子的区别

玻色子和费米子亚原子粒子(比原子小的物质位)。玻色子和费米子的区别在于原子的电子、中子和/或质子的数量。如果一个原子的电子数是偶数,那么它就是由玻色子组成的。如果一个原子的电子、中子和质子的数目是奇数,那么它就是由费米子组成的。玻色子的一个例子是胶子。费米子的一个例子是钾-40,也就是金德宝用的气体云。玻色子可以形成团块,并且相互吸引,而费米子不会形成团块。费米子通常是直弦的,因为它们互相排斥。这是因为费米子服从保利排除原理,即它们不能聚集在同一个量子态中。

这就是基本粒子的标准模型,通常只称标准模型。Zoom
这就是基本粒子的标准模型,通常只称标准模型。

与玻色-爱因斯坦凝结物相似。

和玻色-爱因斯坦凝聚物一样,费米凝聚物也会和组成它们的粒子一起凝聚(长成一个实体)。波斯-爱因斯坦凝聚物和费米凝聚物也都是人造的物质状态。构成这些物质状态的粒子必须经过人工超冷,才能具有它们的特性。然而,费米凝结物的温度甚至比玻色-爱因斯坦凝结物还要低。而且,这两种物质状态都没有粘度,也就是说,它们可以不停地流动。

氦-3和费米子

创建费米凝聚体是非常困难的。费米子遵守排他性原则,它们不会相互吸引。它们互相排斥。金和她的研究小组找到了一种将它们融合在一起的方法。他们调整并在反社会费米子上施加磁场,所以它们开始失去特性。费米子仍然保留了它们的一些特性,但行为有点像玻色子。利用这一点,他们能够使单独的一对费米子不断地相互融合。金夫人怀疑,这种配对过程在同样是超流体的氦-3中也是一样的。根据这些信息,他们可以推测(做一个有根据的猜测),费米子凝结物也会在没有任何粘度的情况下流动。

超导性和费米子凝聚体

另一个相关现象超导性。在超导性中,成对的电子可以以0粘度流动。人们对超导颇有兴趣,因为它可能是一种更便宜、更清洁的电力来源。它还可以用来为悬浮列车和悬浮汽车提供动力。

但是,只有当科学家们能够创造或发现室温下的超导体材料时,才能实现这一目标。事实上,成功制造出室温超导体的人将获得诺贝尔奖。现在的问题是,科学家必须在-135℃左右的温度下进行超导体的研究。这就需要使用液氮和其他方法来制造极低温。当然,这是一项繁琐的工作,这也是为什么科学家们更喜欢在室温下使用超导体。金夫人的团队认为,将成对的电子换成成对的费米子,就能制造出室温超导体。

超导性。这就是迈斯纳效应。Zoom
超导性。这就是迈斯纳效应。

问题和答案

问:什么是费米凝集物?
答:费米子凝聚物是一种类似于玻色-爱因斯坦凝聚物的物质状态,但由费米子而非玻色子组成。

问:费米凝聚物与玻色-爱因斯坦凝聚物有什么不同?
答:费米凝聚物是反社会的,不会相互吸引,而玻色-爱因斯坦凝聚物是社会的,会以群体或团块的形式相互吸引。

问:费米凝聚物能自然发生吗?
答:不能,费米凝聚物必须通过凝结过程人工创造出来,与创造玻色-爱因斯坦凝聚物的过程相同。

问:谁创造了第一个费米凝集物?
答:黛博拉-金和她在科罗拉多大学国家标准与技术研究所的团队于2003年12月创造了第一个费米凝结物。

问:第一个费米凝聚物是在什么温度下产生的?
答:第一个费米凝聚物是通过将一团钾-40原子冷却到绝对零度(-273.15℃)以上不到百万分之一的温度而产生的,这个温度与产生玻色-爱因斯坦凝聚物所需的温度相同。

问:将气体冷却成凝结物的过程叫什么?
答:将气体冷却成凝结物的过程称为凝结。

问:超流体也是玻色-爱因斯坦凝集物吗?
答:是的,超流体也是玻色-爱因斯坦凝聚物,只不过是由玻色子而不是费米子组成的。

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