페르미온 응축수
Fermionic condensate |
| 응집 물질 물리학 |
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| 단계 · 상전이 · QCP |
페르미온 응축물 또는 페르미-디락 응축물은 저온에서 페르미온 입자에 의해 형성되는 초유체상입니다.이는 비슷한 조건에서 보손 원자에 의해 형성된 초유체상인 보스-아인슈타인 응축액과 밀접한 관련이 있다.가장 먼저 알려진 페르미온 응축물은 초전도체에서의 전자 상태를 묘사했다; 페르미온 원자에 대한 최근의 연구를 포함한 다른 예들의 물리학은 유사하다.최초의 원자 페르미온 응축물은 2003년 [1][2]데보라 진이 이끄는 팀에 의해 만들어졌다.
배경
초유동성
페르미온 응축물은 보스-아인슈타인 응축물보다 낮은 온도에서 얻어진다.페르미온 응축물은 초유체의 일종이다.이름에서 알 수 있듯이, 초유체는 일정한 형상의 결여와 가해지는 힘에 반응하여 흐를 수 있는 능력 등 일반적인 액체나 기체에 의해 소유되는 것과 유사한 유체 특성을 가지고 있다.그러나 초유체는 일반적인 물질에서는 나타나지 않는 성질을 가지고 있다.예를 들어, 이들은 어떠한 에너지(즉, 0 점도)도 소산하지 않고 빠른 속도로 흐를 수 있습니다.낮은 속도에서 에너지는 초유체가 분해되는 매체의 "구멍" 역할을 하는 양자화된 소용돌이의 형성에 의해 소멸됩니다.초유동성은 원래 페르미온이 아닌 보손인 액체 헬륨-4에서 발견되었다.
페르미온 초유체
파울리 배제 원리는 페르미온이 같은 양자 상태를 차지하는 것을 금지하기 때문에 페르미온 초유체를 만드는 것은 보손 초유체보다 훨씬 더 어렵다.하지만 페르미온에서 초유체를 형성할 수 있는 잘 알려진 메커니즘이 있습니다.이 메커니즘은 1957년 J. 바딘, L.N. 쿠퍼, R.에 의해 발견된 BCS 전이입니다. 슈리퍼는 초전도 현상을 묘사했다.이 저자들은 특정 온도 아래에서 전자(페르미온)가 결합되어 현재 쿠퍼 쌍으로 알려진 결합 쌍을 형성할 수 있다는 것을 보여주었다.고체의 이온 격자와 충돌하여 쿠퍼 쌍을 깨기에 충분한 에너지가 공급되지 않는 한 전자 유체는 손실 없이 흐를 수 있습니다.그 결과, 초유체가 되고 초전도체를 흐르는 물질이 됩니다.
BCS 이론은 초전도체를 설명하는 데 경이적인 성공을 거두었다.BCS 논문이 발표된 직후, 몇몇 이론가들은 헬륨-3 원자와 같은 전자 이외의 페르미온으로 이루어진 유체에서도 비슷한 현상이 일어날 수 있다고 제안했다.이러한 추측은 1971년 D.D.에 의해 수행된 실험으로 확인되었다. 오쉐로프는 헬륨-3가 0.0025K 이하의 초유체가 된다는 것을 보여주었다.헬륨-3의 초유동성은 BCS와 같은 [a]메커니즘에서 발생한다는 것이 곧 확인되었다.
최초의 페르미온 응축물 생성
1995년 에릭 코넬과 칼 와이먼이 루비듐 원자로부터 보스-아인슈타인 응축물을 만들었을 때, BCS 메커니즘에 의해 초유체를 형성할 페르미온 원자로 만들어진 유사한 종류의 응축물을 만들 것이라는 전망이 자연스레 제기되었다.그러나 초기 계산에 따르면 원자에서 Cooper 쌍을 생성하는 데 필요한 온도는 너무 낮아서 달성할 수 없는 것으로 나타났습니다.2001년, JILA의 Murray Holland는 이 어려움을 우회하는 방법을 제안했다.그는 페르미온 원자들이 강한 자기장에 노출됨으로써 결합되도록 유도할 수 있을 것이라고 추측했다.
2003년, 네덜란드의 제안에 대해 연구하면서, JILA의 데보라 진, 인스브루크 대학의 루돌프 그림, MIT의 볼프강 케틀레는 페르미온 원자를 분자 보손 형성에 성공했고, 그 후 보스-아인슈타인 응축 과정을 거쳤다.그러나 이것은 진짜 페르미온 응축수가 아니었다.2003년 12월 16일, 진은 처음으로 페르미온 원자로 응축수를 만들어냈다.이 실험은 5×10K의−8 온도로 냉각된 50만 개의 칼륨-40 원자를 대상으로 진행되었으며, 시간 가변 자기장이 [2]적용되었습니다.
예
키랄 응축수
키랄 응축물은 양자 색역학에서 쿼크 이론과 같이 키랄 대칭이 깨진 질량이 없는 페르미온 이론에서 나타나는 페르미온 응축물의 한 예이다.
BCS 이론
초전도 BCS 이론은 페르미온 응축물을 가지고 있다.반대 스핀을 가진 금속의 한 쌍의 전자는 쿠퍼 쌍이라고 불리는 스칼라 결합 상태를 형성할 수 있습니다.결합된 상태 자체가 응축수를 형성합니다.쿠퍼 쌍은 전하를 가지고 있기 때문에, 이 페르미온 응축수는 초전도체의 전자 게이지 대칭을 깨뜨려 그러한 상태의 놀라운 전자 특성을 발생시킵니다.
QCD
양자 색역학(QCD)에서는 키랄 응축액을 쿼크 응축물이라고도 합니다.QCD 진공의 이러한 특성은 (글루온 응축액과 같은 다른 응축액과 함께) 하드론에 질량을 주는 데 부분적으로 책임이 있습니다.
N개의 쿼크 맛에 대해 사라지는 쿼크 질량을 갖는 QCD의 대략적인 버전에서는 이론의 정확한 키랄 SU(N) × SU(N) 대칭이 존재한다.QCD 진공은 쿼크 응축수를 형성하여 SU(N)에 대한 대칭성을 깬다.이러한 페르미온 응축물의 존재는 QCD의 격자 공식에서 처음 명확히 나타났다.따라서 쿼크 응축수는 이 한계에서 쿼크 물질의 여러 상 간 전이의 순서 매개 변수이다.
이것은 초전도 BCS 이론과 매우 유사합니다.Cooper 쌍은 의사 음경 중간자와 유사합니다.그러나 진공상태는 전하를 띠지 않습니다.따라서 모든 게이지 대칭이 깨지지 않습니다.쿼크의 질량에 대한 보정은 키랄 섭동 이론을 사용하여 통합될 수 있습니다.
헬륨-3 초유체
헬륨-3 원자는 페르미온으로 매우 낮은 온도에서 2원자 쿠퍼 쌍을 형성하는데, 쿠퍼는 보손성으로 초유체로 응축됩니다.이러한 Cooper 쌍은 원자간 분리보다 상당히 크다.
참고 항목
각주
- ^ 초유체 헬륨-3의 이론은 초전도 BCS 이론보다 조금 더 복잡하다.이러한 합병증은 헬륨 원자가 전자보다 훨씬 강하게 서로를 밀어내기 때문에 발생하지만, 기본적인 생각은 같다.
레퍼런스
- ^ DeMarco, Brian; Bohn, John; Cornell, Eric (2006). "Deborah S. Jin 1968–2016". Nature. 538 (7625): 318. doi:10.1038/538318a. ISSN 0028-0836. PMID 27762370.
- ^ a b Regal, C.A.; Greiner, M.; Jin, D.S. (28 January 2004). "Observation of resonance condensation of Fermionic atom pairs". Physical Review Letters. 92 (4): 040403. arXiv:cond-mat/0401554. Bibcode:2004PhRvL..92d0403R. doi:10.1103/PhysRevLett.92.040403. PMID 14995356. S2CID 10799388.
원천
- Guenault, Tony (2003). Basic superfluids. Taylor & Francis. ISBN 978-0-7484-0892-4.
- "NIST/University of Colorado scientists create new form of matter: A Fermionic condensate" (Press release). University of Colorado. 28 January 2004. Archived from the original on 7 December 2006.
- Rodgers, Peter; Dumé, Bell (January 28, 2004). "Fermionic condensate makes its debut". Physics World. Retrieved 29 Jun 2019.</ref>
- Hägler, Ph. (2010). "Hadron structure from lattice quantum chromodynamics". Physics Reports. 490 (3–5): 49–175. arXiv:0912.5483. Bibcode:2010PhR...490...49H. doi:10.1016/j.physrep.2009.12.008. ISSN 0370-1573.
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