Mehrere Fermionen, die normalerweise nicht den gleichen Quantenzustand einnehmen können, können einen Zustand erreichen, der als fermionisches Kondensat bekannt ist, in dem sie alle die niedrigstmögliche Energiekonfiguration erreichen. Dies ist der sechste Zustand der Materie. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Wie viele Zustände der Materie gibt es? Als du jung warst, hast du wahrscheinlich die drei kennengelernt, die wir am häufigsten erleben: fest, flüssig und gasförmig. Alle diese Zustände kommen regelmäßig auf der Erdoberfläche vor: Felsen und Eis sind fest, Wasser und viele Öle sind flüssig, und die Atmosphäre, die wir atmen, ist ein Gas. Diese drei gängigen Materiezustände basieren jedoch alle auf neutralen Atomen; Einschränkungen, an die das Universum nicht gebunden ist.
Wenn man ein Atom mit genügend Energie beschießt, stößt man die Elektronen aus ihm heraus, wodurch ein ionisiertes Plasma entsteht: der vierte Zustand der Materie. Es gibt aber noch zwei weitere Zustände der Materie, die existieren: Bose-Einstein-Kondensate und fermionische Kondensate, der fünfte und sechste Zustand der Materie. Derzeit sind sie nur unter extremen Laborbedingungen erreichbar, aber sie könnten im Universum selbst eine wichtige Rolle spielen.
Je nachdem, wie hoch die Temperatur ist und wie schnell der Übergang erfolgt, kann ein Festkörper (Eis) oder ein Gas (Wasserdampf) entstehen. Bei ausreichend hohen Temperaturen wird alle auf Atomen basierende Materie zu einem ionisierten Plasma: der vierte Zustand der Materie. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Hier auf der Erde ist alles aus Atomen aufgebaut. Einige Atome schließen sich zu Molekülen zusammen, andere Atome existieren als eigenständige Einheiten. Unabhängig von der Anzahl der Atome in einer bestimmten chemischen Verbindung – Wasser, Sauerstoff, Methan, Helium usw. – bestimmt die Kombination von Temperatur- und Druckbedingungen, ob es sich um einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt.
Wasser gefriert bekanntlich bei niedrigen Temperaturen und geringem Druck, wird bei höherem Druck und/oder höheren Temperaturen flüssig und wird bei noch höheren Temperaturen oder sehr niedrigem Druck zu einem Gas. Es gibt jedoch eine kritische Temperatur oberhalb von etwa 374 °C (705 °F), bei der diese Unterscheidung nicht mehr gilt. Bei niedrigem Druck handelt es sich immer noch um ein Gas, bei höherem Druck um ein überkritisches Fluid mit den Eigenschaften von Gas und Flüssigkeit. Bei noch höheren Temperaturen beginnen die Moleküle zu ionisieren, und es entsteht ein Plasma: der vierte Zustand der Materie.
Wenn die Temperaturen/Energien der Teilchen hoch genug sind, entsteht manchmal ein vorübergehender Zustand, der als Quark-Gluon-Plasma bekannt ist: Hier können sich nicht einmal einzelne Protonen und Neutronen stabil bilden. Dies ist die nukleare Entsprechung eines normalen Plasmas, in dem sich Elektronen und Kerne nicht erfolgreich zu stabilen, neutralen Atomen verbinden können. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Auch wenn die meisten Diskussionen über den Zustand der Materie hier enden, ist das noch lange nicht das Ende der wissenschaftlichen Geschichte. In Wahrheit ist das nur das Ende des atomaren Teils der Geschichte. Für den Rest müssen wir uns in die subatomare Welt begeben: die Welt der Teilchen, die kleiner sind als ein Atom. Eines davon haben wir bereits kennengelernt: das Elektron, eines der fundamentalen Teilchen des Standardmodells.
Elektronen sind die negativ geladenen Teilchen in Atomen, die den Atomkern umkreisen, dieselben Teilchen, die bei hohen Energien zur Bildung eines ionisierten Plasmas ausgestoßen werden. Der Atomkern wiederum besteht aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus jeweils drei Quarks bestehen. Innerhalb der Protonen und Neutronen werden ständig Gluonen sowie Quark-Antiquark-Paare erzeugt, zerstört, emittiert und absorbiert. Es ist eine chaotische subatomare Welt in jedem Proton und Neutron.
seinen Spin, aber auch die Gluonen, Seequarks und Antiquarks sowie der Bahndrehimpuls. Die elektrostatische Abstoßung und die anziehende starke Kernkraft verleihen dem Proton seine Größe, und die Eigenschaften der Quarkmischung sind erforderlich, um die Vielzahl der freien und zusammengesetzten Teilchen in unserem Universum zu erklären. Einzelne Protonen verhalten sich insgesamt als Fermionen, nicht als Bosonen. APS/Alan Stonebraker
Hier ist der springende Punkt, der uns zum fünften und sechsten Aggregatzustand der Materie führt: Jedes Teilchen im Universum, unabhängig davon, ob es ein fundamentales oder ein zusammengesetztes Teilchen ist, fällt in eine von zwei Kategorien.
- Fermion. Dies ist ein Teilchen, das bei der Messung seines Spins (oder Eigendrehimpulses) immer Werte erhält, die in halbzahligen Werten der Planckschen Konstante quantisiert sind: ±1/2, ±3/2, ±5/2, usw.
- Boson. Dies ist ein Teilchen, das, wenn wir seinen Spin messen, immer Werte erhält, die in ganzzahligen Werten der Planckschen Konstante quantisiert sind: 0, ±1, ±2, usw.
Das ist es. Im gesamten bekannten Universum gibt es keine Teilchen – weder fundamentale noch zusammengesetzte -, die in irgendeine andere Kategorie fallen. Alles, was wir jemals gemessen haben, verhält sich entweder wie ein Fermion oder ein Boson.
Modelle gehorchen allen möglichen Erhaltungsgesetzen, aber es gibt fundamentale Unterschiede zwischen fermionischen Teilchen und Antiteilchen und bosonischen Teilchen. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektronen sind als fundamentale Teilchen mit Spins von ±½ offensichtlich Fermionen. Protonen und Neutronen, die jeweils aus drei Quarks bestehen, haben ebenfalls Spins, die nur ±½ sein können, da der Spin eines Quarks immer dem Spin der beiden anderen entgegengesetzt ist. Bindet man jedoch ein Proton und ein Neutron aneinander, so entsteht ein zusammengesetztes Teilchen, das als Deuteron bezeichnet wird: der Atomkern eines schweren Wasserstoffisotops namens Deuterium.
Ein Deuteron, das ein Fermion ist, das mit einem anderen Fermion verbunden ist, verhält sich immer wie ein Boson. (Warum? Weil ±½ + ±½ nur -1, 0 oder +1 sein kann: die Spinwerte für ein Boson.) Unabhängig davon, ob wir es mit fundamentalen oder zusammengesetzten Teilchen zu tun haben, weisen Fermionen und Bosonen einen entscheidenden Unterschied auf. Ja, ihre Spins sind unterschiedlich, aber dieser Unterschied führt zu einer erstaunlichen Konsequenz: Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, Bosonen nicht.
einschließlich organischer Moleküle und biologischer Prozesse, ist nur aufgrund der Pauli-Ausschlussregel möglich, die für Elektronen gilt und verbietet, dass zwei von ihnen denselben Quantenzustand einnehmen. Jenny Mottar
Das Pauli-Ausschlussprinzip ist einer der wichtigsten Eckpfeiler, der in den frühen Tagen der Quantenmechanik entdeckt wurde. Es besagt, dass keine zwei Fermionen den exakt gleichen Quantenzustand einnehmen können.
Dies kommt ins Spiel, wenn wir beginnen, Elektronen auf einen vollständig ionisierten Atomkern zu setzen. Das erste Elektron sinkt in die energieärmste Konfiguration, die möglich ist: den Grundzustand. Wenn man ein zweites Elektron hinzufügt, wird es ebenfalls versuchen, in den Grundzustand zu gelangen, aber es wird feststellen, dass dieser bereits besetzt ist. Um die Energie seiner Konfiguration zu minimieren, fällt es in denselben Zustand, muss aber seinen Spin umkehren: +½, wenn das erste Elektron -½ war; -½, wenn das erste +½ war. Alle weiteren Elektronen müssen in einen Zustand mit immer höherer Energie übergehen; keine zwei Elektronen können im selben physikalischen System die exakt gleiche Quantenkonfiguration haben.
entsprechen verschiedenen Zuständen innerhalb eines Wasserstoffatoms. Aufgrund des Spins = 1/2 des Elektrons können sich nur zwei (+1/2 und -1/2) Elektronen gleichzeitig in einem bestimmten Zustand befinden. PoorLeno / Wikimedia Commons Aber das gilt nicht für Bosonen. Man kann beliebig viele Bosonen in der Grundzustandskonfiguration platzieren, ohne Einschränkungen. Wenn man die richtigen physikalischen Bedingungen schafft – z. B. ein System von Bosonen kühlt und sie auf denselben physikalischen Ort beschränkt – gibt es keine Begrenzung für die Anzahl der Bosonen, die man in diesen Zustand mit der niedrigsten Energie bringen kann. Wenn man diese Konfiguration von vielen Bosonen erreicht, die sich alle im gleichen Quantenzustand mit der niedrigsten Energie befinden, hat man den fünften Zustand der Materie erreicht: ein Bose-Einstein-Kondensat.
Helium, ein Atom aus zwei Protonen, zwei Neutronen und vier Elektronen, ist ein stabiles Atom aus einer geraden Anzahl von Fermionen und verhält sich daher wie ein Boson. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen wird es zu einem Suprafluid: eine Flüssigkeit ohne Viskosität und ohne Reibung zwischen sich selbst und jedem Behälter, mit dem es in Wechselwirkung tritt. Diese Eigenschaften sind eine Folge der Bose-Einstein-Kondensation. Helium war das erste Boson, das diesen fünften Aggregatzustand erreicht hat, aber inzwischen wurde er auch bei Gasen, Molekülen, Quasiteilchen und sogar Photonen reproduziert. Dies ist auch heute noch ein aktives Forschungsgebiet.
vor (L), während (Mitte) und nach (R) dem Übergang in einen BEC-Zustand ist abgeschlossen. Die Grafik zeigt dreidimensionale, zeitlich aufeinander folgende Momentaufnahmen, in denen sich die Atome von weniger dichten roten, gelben und grünen Bereichen zu sehr dichten blauen bis weißen Bereichen verdichten. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermionen hingegen können sich nicht alle im gleichen Quantenzustand befinden. Weiße Zwerge und Neutronensterne kollabieren nicht aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips; Elektronen in benachbarten Atomen (in Weißen Zwergen) oder Neutronen, die aneinander grenzen (in Neutronensternen), können aufgrund des Quantendrucks des Pauli-Ausschlussprinzips nicht vollständig unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Dasselbe Prinzip, das für die atomare Struktur verantwortlich ist, verhindert, dass diese dichten Materiekonfigurationen zu schwarzen Löchern kollabieren; zwei Fermionen können nicht denselben Quantenzustand einnehmen.
Wie kann man also den sechsten Zustand der Materie erreichen: ein fermionisches Kondensat? Ob Sie es glauben oder nicht, die Geschichte der fermionischen Kondensate geht auf eine unglaubliche Entdeckung des Nobelpreisträgers Leon Cooper in den 1950er Jahren zurück. Der Begriff, den Sie sich merken sollten, ist nach ihm benannt: Cooper-Paare.
geladene Elektronen verändern leicht die Konfiguration der positiven Ladungen im Leiter, wodurch die Elektronen eine leicht anziehende relative Kraft erfahren. Dies führt dazu, dass sie sich zu Cooper-Paaren zusammenschließen, der ersten Form eines fermionischen Kondensats, die je entdeckt wurde. Tem5psu / Wikimedia Commons
Bei niedrigen Temperaturen tendiert jedes Teilchen zu seiner Grundzustandskonfiguration mit der niedrigsten Energie. Nimmt man ein leitendes Metall und senkt die Temperatur ausreichend ab, so paaren sich zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin; diese winzige Anziehungskraft führt dazu, dass sich die Elektronen zu einer weniger energiereichen, stabileren Konfiguration zusammenfinden, als wenn sich alle Elektronen einzeln bewegen.
Fermionische Kondensate erfordern niedrigere Temperaturen als Bose-Einstein-Kondensate, aber auch sie verhalten sich wie ein Suprafluid. 1971 wurde gezeigt, dass Helium-3 (mit einem Neutron weniger als Standard-Helium) bei Temperaturen unter 2,5 Millikelvin zu einem Suprafluid wird; dies war der erste Nachweis eines Suprafluids, das nur Fermionen enthält. Im Jahr 2003 schuf das Labor der Physikerin Deborah Jin das erste auf Atomen basierende fermionische Kondensat, indem es ein starkes Magnetfeld zusammen mit ultrakalten Temperaturen nutzte, um die Atome in diesen begehrten Zustand zu bringen.
Gewöhnliche Zustände der Materie können bei extrem niedrigen Temperaturen Kondensate mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften hervorbringen. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Zusätzlich zu den drei Standardzuständen der Materie – fest, flüssig und gasförmig – gibt es einen energiereicheren Zustand eines ionisierten Plasmas, der überall dort entsteht, wo Atome und Moleküle zu wenige Elektronen haben, um elektrisch neutral zu sein. Bei ultratiefen Temperaturen können jedoch die beiden fundamentalen Teilchenklassen, Bosonen und Fermionen, auf jeweils eigene Weise kondensieren und Bose-Einstein- bzw. fermionische Kondensate bilden: den fünften bzw. sechsten Zustand der Materie.
Um ein fermionisches Kondensat aus Materie zu erzeugen, müssen jedoch außergewöhnliche Bedingungen herrschen: Temperaturen unter 50 Nanokelvin mit einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld. In den unendlichen Weiten des Weltraums ist es jedoch durchaus möglich, dass Neutrinos (aus Fermionen) oder dunkle Materie (die aus Fermionen oder Bosonen bestehen könnte) sich zu eigenen Kondensaten zusammenballen. Der Schlüssel zur Entschlüsselung eines der größten Geheimnisse des Universums könnte im seltensten und extremsten aller bekannten Materiezustände liegen.
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