Fermionisch condensaat

Een fermionisch condensaat, oftewel fermi-condensaat, is een toestand van materie (supervloeibare fase) die sterk lijkt op het Bose-Einstein-condensaat. Supervloeistoffen zijn ook Bose-Einstein condensaten.

Het enige verschil is dat de Bose-Einstein condensaten uit bosonen bestaan, en sociaal met elkaar zijn (in groepen, of klonters). Fermi-condensaten zijn asociaal (ze trekken elkaar helemaal niet aan). Dit moet kunstmatig gebeuren.

Deze stand van zaken is in december 2003 door Deborah Jin en haar groep gemaakt. Jin werkte voor het National Institute of Standards and Technology aan de Universiteit van Colorado. Haar team creëerde deze toestand van de materie door een wolk van kalium-40 atomen af te koelen tot minder dan een miljoenste °C boven het absolute nulpunt (-273,15 °C, dit is de hypothetische laagste grens van de fysieke temperaturen). Dit is dezelfde temperatuur die nodig is om materie af te koelen tot een Bose-Einstein condensaat. Het proces van het afkoelen van een gas tot een condensaat wordt condensatie genoemd.


Deborah Jin
Deborah Jin

Albert Einstein, een van de twee mannen die in de jaren twintig van de vorige eeuw hypotheseerden over de condensaten van Bose-Einstein.
Albert Einstein, een van de twee mannen die in de jaren twintig van de vorige eeuw hypotheseerden over de condensaten van Bose-Einstein.

Satyendra Nath Bose, de man die samen met Einstein op het idee kwam van de Bose-Einstein condensaten. Hij is ook beroemd om zijn Bose-Einstein statistieken.
Satyendra Nath Bose, de man die samen met Einstein op het idee kwam van de Bose-Einstein condensaten. Hij is ook beroemd om zijn Bose-Einstein statistieken.

Verschil tussen fermionen en bosonen

Bosonen en fermionen zijn subatomaire deeltjes (stukjes materie kleiner dan een atoom). Het verschil tussen een boson en een fermion is het aantal elektronen, neutronen en/of protonen van het atoom. Een atoom bestaat uit bosonen als het een even aantal elektronen heeft. Een atoom bestaat uit fermionen als het een oneven aantal elektronen, neutronen en protonen heeft. Een voorbeeld van een boson zou een gluon zijn. Een voorbeeld van een fermion zou kalium-40 zijn, wat Deborah Jin gebruikte als de gaswolk. Bosonen kunnen klonters vormen en worden tot elkaar aangetrokken, terwijl fermionen geen klonters vormen. Fermionen worden meestal in rechte snaren gevonden omdat ze elkaar afstoten. Dit komt omdat fermionen zich houden aan het Pauli-uitsluitingsprincipe, dat stelt dat ze zich niet in dezelfde kwantumtoestand kunnen verzamelen.

Dit is het standaardmodel van elementaire deeltjes, meestal aangeduid als het standaardmodel.
Dit is het standaardmodel van elementaire deeltjes, meestal aangeduid als het standaardmodel.

Gelijkaardig aan Bose-Einstein-condensaat

Net als de Bose-Einstein condensaten zullen fermi-condensaten samensmelten (samengroeien tot één geheel) met de deeltjes waaruit ze bestaan. Bose-Einstein condensaten en fermi condensaten zijn ook beide door de mens gemaakte toestanden van materie. De deeltjes die deze toestanden van de materie maken, moeten kunstmatig supergekoeld worden, om de eigenschappen te hebben die ze hebben. Fermi-condensaten hebben echter nog lagere temperaturen bereikt dan Bose-Einstein-condensaten. Ook hebben beide toestanden van de materie geen viscositeit, wat betekent dat ze kunnen stromen zonder te stoppen.

Helium-3 en fermionen

Het creëren van een fermi-condensaat is erg moeilijk. Fermionen gehoorzamen aan het uitsluitingsprincipe en voelen zich niet tot elkaar aangetrokken. Ze stoten elkaar af. Jin en haar onderzoeksteam hebben een manier gevonden om ze samen te voegen. Ze pasten een magnetisch veld toe op de asociale fermionen, zodat ze hun eigenschappen begonnen te verliezen. De fermionen behielden nog steeds een deel van hun karakter, maar gedroegen zich een beetje als bosonen. Hierdoor waren ze in staat om afzonderlijke paren fermionen steeds weer met elkaar te laten versmelten. Mevrouw Jin vermoedt dat dit koppelingsproces hetzelfde is in Helium-3, ook een supervloeistof. Op basis van deze informatie kunnen ze de hypothese (een goed onderbouwde gok) maken dat ook fermionische condensaten zonder enige viscositeit zullen vloeien.

Supergeleiding en fermionische condensaten

Een ander gerelateerd fenomeen is supergeleiding. Bij supergeleiding kunnen gepaarde elektronen met 0-viscositeit stromen. Er is nogal wat interesse in supergeleiding, omdat het een goedkopere en schonere bron van elektriciteit kan zijn. Het zou ook gebruikt kunnen worden voor het aandrijven van leviterende treinen en hover-cars.

Maar dit kan alleen gebeuren als wetenschappers materialen kunnen maken of ontdekken die bij kamertemperatuur supergeleiders zijn. In feite zal een Nobelprijs worden toegekend aan iemand die erin slaagt een supergeleider op kamertemperatuur te maken. Op dit moment is het probleem dat wetenschappers moeten werken met supergeleiders bij ongeveer -135 °C. Hierbij wordt gebruik gemaakt van vloeibare stikstof en andere methoden om extreem koude temperaturen te maken. Dit is natuurlijk een vervelend karwei en daarom gebruiken wetenschappers liever supergeleiders op kamertemperatuur. Het team van mevrouw Jin denkt dat het vervangen van de gekoppelde elektronen door de gekoppelde fermionen zou resulteren in een supergeleider op kamertemperatuur.

Supergeleiding. Dit is het Meissner-effect.
Supergeleiding. Dit is het Meissner-effect.


AlegsaOnline.com - 2020 / 2021 - License CC3