CHẤT NGƯNG TỤ FERMIONIC: ĐẶC TÍNH, ỨNG DỤNG VÀ VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Theo nghĩa chặt chẽ nhất, chất ngưng tụ Fermi là một chất khí rất loãng được tạo thành từ các nguyên tử fermionic đã chịu nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. Bằng cách này, và trong các điều kiện thích hợp, chúng chuyển sang pha siêu lỏng, hình thành một trạng thái tập hợp vật chất mới.

Chất ngưng tụ fermionic đầu tiên thu được vào ngày 16 tháng 12 năm 2003 tại Hoa Kỳ, nhờ một nhóm các nhà vật lý từ các trường đại học và học viện khác nhau. Thí nghiệm sử dụng khoảng 500 nghìn nguyên tử kali-40 chịu một từ trường thay đổi và nhiệt độ 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Nam châm siêu dẫn. Nguồn: pixabay

Nhiệt độ đó được coi là gần với độ không tuyệt đối và thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ của không gian giữa các thiên hà, khoảng 3 Kelvin. Độ không tuyệt đối của nhiệt độ được hiểu là 0 Kelvin, tương đương với -273,15 độ C. Vậy 3 Kelvin tương ứng với -270,15 độ C.

Một số nhà khoa học coi ngưng tụ fermionic là trạng thái giới tính của vật chất. Bốn trạng thái đầu tiên quen thuộc nhất với mọi người: rắn, lỏng, khí và plasma.

Trước đây, trạng thái thứ năm của vật chất đã đạt được khi đạt được sự ngưng tụ của các nguyên tử bosonic. Chất ngưng tụ đầu tiên này được tạo ra vào năm 1995 từ khí rubidi-87 rất loãng được làm lạnh đến 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Tầm quan trọng của nhiệt độ thấp

Các nguyên tử hoạt động rất khác nhau ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, tùy thuộc vào giá trị của mômen động lượng nội tại của chúng, hoặc spin.

Điều này chia các hạt và nguyên tử thành hai loại:

- Các boson, là những boson có spin nguyên (1, 2, 3,…).

- Fermions, là những cái có spin bán nguyên (1/2, 3/2, 5/2,…).

Boson không có bất kỳ hạn chế nào, theo nghĩa là hai hoặc nhiều trong số chúng có thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử.

Mặt khác, các fermion đáp ứng nguyên tắc loại trừ Pauli: hai hoặc nhiều fermion không thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử, hay nói cách khác: chỉ có thể có một fermion trên mỗi trạng thái lượng tử.

Sự khác biệt cơ bản này giữa boson và fermion làm cho các chất ngưng tụ fermionic khó thu được hơn so với các chất bosonic.

Để các fermion chiếm tất cả các mức lượng tử thấp hơn, trước đó chúng cần phải sắp xếp theo từng cặp, để tạo thành cái gọi là “cặp Cooper” có hành vi bosonic.

Lịch sử, cơ sở và tài sản

Quay trở lại năm 1911, khi Heike Kamerlingh Onnes đang nghiên cứu sức đề kháng của thủy ngân ở nhiệt độ rất thấp bằng cách sử dụng helium lỏng làm chất làm mát, ông nhận thấy rằng khi đạt đến nhiệt độ 4,2 K (-268,9 độ C), điện trở đột ngột giảm xuống bằng không. .

Chất siêu dẫn đầu tiên đã được tìm thấy theo một cách bất ngờ.

Không hề hay biết, HK Onnes đã cố gắng đặt tất cả các electron dẫn lại với nhau ở mức lượng tử thấp nhất, một thực tế là về nguyên tắc là không thể vì các electron là fermion.

Người ta đã đạt được kết quả là các điện tử truyền đến pha siêu lỏng bên trong kim loại, nhưng vì chúng có điện tích nên chúng gây ra dòng điện tích có độ nhớt bằng không và do đó điện trở bằng không.

Bản thân HK Onnes ở Leiden, Hà Lan đã phát hiện ra rằng helium mà ông sử dụng làm chất làm lạnh trở nên siêu lỏng khi đạt đến nhiệt độ 2,2 K (-270,9 độ C).

Một cách vô tình, HK Onnes lần đầu tiên đã thành công trong việc tập hợp các nguyên tử heli mà ông làm lạnh thủy ngân ở mức lượng tử thấp nhất của chúng. Khi đi qua, ông cũng nhận ra rằng khi nhiệt độ dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định, heli chuyển sang pha siêu lỏng (độ nhớt bằng không).

Lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn

Helium-4 là một boson và hoạt động như vậy, đó là lý do tại sao nó có thể đi từ pha lỏng bình thường sang pha siêu lỏng.

Tuy nhiên, cả hai đều không được coi là chất ngưng tụ fermionic hoặc bosonic. Trong trường hợp siêu dẫn, các fermion, giống như các electron, nằm trong mạng tinh thể của thủy ngân; và trong trường hợp heli siêu lỏng, pha lỏng đã chuyển sang pha siêu lỏng.

Giải thích lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn được đưa ra sau đó. Đây là lý thuyết BCS nổi tiếng được phát triển vào năm 1957.

Lý thuyết nói rằng các electron tương tác với mạng tinh thể tạo thành các cặp thay vì đẩy nhau, hút nhau tạo thành "cặp Cooper" hoạt động như boson. Bằng cách này, các electron nói chung có thể chiếm các trạng thái lượng tử năng lượng thấp nhất, miễn là nhiệt độ đủ thấp.

Làm thế nào để tạo ra một chất ngưng tụ fermion?

Một chất ngưng tụ fermion hoặc boson hợp pháp phải bắt đầu từ một khí rất loãng được tạo thành từ các nguyên tử fermionic hoặc bosonic, được làm lạnh theo cách sao cho các hạt của nó đều đi đến trạng thái lượng tử thấp nhất.

Vì điều này phức tạp hơn nhiều so với việc tạo ra chất ngưng tụ boson, nên gần đây người ta mới tạo ra những loại chất ngưng tụ này.

Fermions là các hạt hoặc tập hợp các hạt có nửa spin toàn phần. Electron, proton và neutron đều là ½ hạt spin.

Hạt nhân của heli-3 (hai proton và một neutron) hoạt động giống như một fermion. Nguyên tử trung hòa của kali-40 có 19 proton + 21 neutron + 19 electron, cộng lại với số lẻ 59, vì vậy nó hoạt động như một fermion.

Hạt trung gian

Các hạt trung gian của các tương tác là boson. Trong số các hạt này, chúng ta có thể kể tên như sau:

- Các photon (chất trung gian của điện từ).

- Gluon (chất trung gian của tương tác hạt nhân mạnh).

- Boson Z và W (chất trung gian của tương tác hạt nhân yếu).

- Graviton (chất trung gian của tương tác hấp dẫn).

Hợp chất boson

Trong số các boson của hợp chất là:

- Hạt nhân đơteri (1 prôtôn và 1 nơtron).

- Nguyên tử Heli-4 (2 proton + 2 neutron + 2 electron).

Bất cứ khi nào tổng proton, neutron và electron của một nguyên tử trung hòa dẫn đến một số nguyên thì hành vi sẽ là boson.

Làm thế nào để thu được chất ngưng tụ fermionic

Một năm trước khi đạt được chất ngưng tụ fermion, người ta đã đạt được sự hình thành các phân tử với các nguyên tử fermionic tạo thành các cặp liên kết chặt chẽ hoạt động giống như boson. Tuy nhiên, đây không được coi là một chất ngưng tụ fermionic thuần túy, mà giống như một chất ngưng tụ bosonic.

Nhưng những gì đã được thực hiện vào ngày 16 tháng 12 năm 2003, bởi nhóm của Deborah Jin, Markus Greiner và Cindy Regal từ phòng thí nghiệm JILA ở Boulder, Colorado, là sự hình thành của sự ngưng tụ của các cặp nguyên tử fermionic riêng lẻ trong một chất khí.

Trong trường hợp này, các cặp nguyên tử không tạo thành phân tử, nhưng di chuyển với nhau theo một cách tương quan. Do đó, về tổng thể, cặp nguyên tử fermionic hoạt động như một boson, do đó sự ngưng tụ của chúng đã đạt được.

Để đạt được sự ngưng tụ này, nhóm JILA đã bắt đầu với một loại khí có nguyên tử kali-40 (là các fermion), được giam giữ trong một bẫy quang học ở 300 nanokelvin.

Sau đó, chất khí này chịu một từ trường dao động để làm thay đổi tương tác đẩy giữa các nguyên tử và biến nó thành một lực hấp dẫn, thông qua một hiện tượng được gọi là "cộng hưởng Fesbach."

Việc điều chỉnh các thông số của từ trường một cách thích hợp làm cho các nguyên tử có thể hình thành các cặp Cooper thay vì các phân tử. Sau đó, nó tiếp tục làm lạnh để thu được chất ngưng tụ fermionic.

Ứng dụng và ví dụ

Công nghệ được phát triển để đạt được các ngưng tụ fermionic, trong đó các nguyên tử thực tế được điều khiển gần như riêng lẻ, sẽ cho phép phát triển tính toán lượng tử, trong số các công nghệ khác.

Nó cũng sẽ cải thiện sự hiểu biết về các hiện tượng như siêu dẫn và siêu lỏng, cho phép vật liệu mới có các tính chất đặc biệt. Hơn nữa, người ta đã phát hiện ra rằng có một điểm trung gian giữa tính siêu lỏng của các phân tử và tính thông thường thông qua sự hình thành các cặp Cooper.

Việc thao tác các nguyên tử siêu lạnh sẽ cho phép chúng ta hiểu được sự khác biệt giữa hai cách sản xuất chất siêu lỏng này, điều này chắc chắn sẽ dẫn đến sự phát triển của hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao.

Trên thực tế, ngày nay có những chất siêu dẫn mặc dù chúng không hoạt động ở nhiệt độ phòng nhưng chúng hoạt động ở nhiệt độ nitơ lỏng, tương đối rẻ và dễ kiếm.

Mở rộng khái niệm về sự ngưng tụ của các fermion ngoài các khí fermion nguyên tử, có thể tìm thấy nhiều ví dụ trong đó các fermion chiếm chung các mức lượng tử năng lượng thấp.

Đầu tiên như đã nói là các electron trong chất siêu dẫn. Đây là những fermion sắp xếp theo cặp để chiếm các mức lượng tử thấp nhất ở nhiệt độ thấp, thể hiện hành vi giống như bosonic tập thể và giảm độ nhớt và điện trở về 0.

Một ví dụ khác về sự nhóm fermionic ở trạng thái năng lượng thấp là các chất ngưng tụ quark. Ngoài ra, nguyên tử helium-3 cũng là một fermion, nhưng ở nhiệt độ thấp, nó tạo thành cặp Cooper của hai nguyên tử hoạt động giống như boson và thể hiện hành vi siêu lỏng.

Người giới thiệu

1. K Goral và K Burnett. Fermionic đầu tiên cho chất ngưng tụ. Phục hồi từ: Physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi ngưng tụ. Lấy từ: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers và B Dumé. Fermions condensate ra mắt lần đầu tiên. Khôi phục từ: Physicsworld.com.
4. Wikiwand. Fermionic ngưng tụ. Được khôi phục từ Wikiwand.com
5. Wikiwand. Fermionic ngưng tụ. Được khôi phục từ Wikiwand.com