meerdere fermionen, die normaal gesproken niet dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen, kunnen een toestand bereiken die bekend staat als een fermionisch condensaat, waarin zij alle de laagst mogelijke energieconfiguratie bereiken. Dit is de zesde toestand van materie. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Hoeveel toestanden van materie zijn er? Toen je jong was, heb je waarschijnlijk geleerd over de drie meest voorkomende in onze ervaring: vast, vloeibaar, en gas. Al deze toestanden komen regelmatig voor op het aardoppervlak: rotsen en ijs zijn vaste stoffen, water en veel olie zijn vloeistoffen, terwijl de atmosfeer die wij inademen een gas is. Deze drie gemeenschappelijke toestanden van materie zijn echter alle gebaseerd op neutrale atomen; beperkingen waaraan het heelal niet gebonden is.
Als je een willekeurig atoom met voldoende energie bombardeert, zul je de elektronen ervan afschieten, waardoor een geïoniseerd plasma ontstaat: de vierde toestand van materie. Maar er bestaan nog twee andere toestanden van materie: Bose-Einstein Condensaten en Fermionische Condensaten, de vijfde en zesde toestand van materie. Op dit moment zijn ze alleen haalbaar onder extreme laboratoriumomstandigheden, maar ze zouden een belangrijke rol kunnen spelen in het heelal zelf. Hier is waarom.
aanzienlijk kan resulteren in een vaste stof (ijs) of een gas (waterdamp), afhankelijk van wat de temperatuur is en hoe snel de overgang plaatsvindt. Bij voldoende hoge temperaturen zal alle materie op atomaire basis een geïoniseerd plasma worden: de vierde toestand van materie. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Hier op aarde is alles opgebouwd uit atomen. Sommige atomen verbinden zich tot moleculen; andere atomen bestaan als op zichzelf staande entiteiten. Ongeacht het aantal atomen in een bepaalde chemische verbinding – water, zuurstof, methaan, helium, enz. – bepaalt de combinatie van temperatuur en druk of het een vaste stof, vloeistof of gas is.
Water, het meest bekend, bevriest bij lage temperatuur en bescheiden druk, wordt vloeibaar bij hogere druk en/of hogere temperatuur, en wordt een gas bij nog hogere temperatuur of zeer lage druk. Er is echter een kritische temperatuur, boven ongeveer 374 °C (705 °F), waarbij dit onderscheid niet meer bestaat. Bij lage druk krijg je nog steeds een gas; bij hogere druk krijg je een superkritische vloeistof met eigenschappen van zowel gas als vloeistof. Ga je nog naar hogere temperaturen, dan begin je de moleculen te ioniseren en ontstaat er een plasma: die vierde toestand van materie.
soms, als de temperaturen/energieën van de deeltjes hoog genoeg zijn, ontstaat er een tijdelijke toestand die bekend staat als een quark-gluon plasma: waar zelfs individuele protonen en neutronen zich niet stabiel kunnen vormen. Dit is het nucleaire analoog van een meer standaard plasma, waar elektronen en kernen niet succesvol samenbinden om stabiele, neutrale atomen te vormen. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Hoewel dit het einde is van de meeste discussies over de toestanden van de materie, is dit niet het einde van het wetenschappelijke verhaal. In werkelijkheid is dat slechts het einde van het atomaire deel van het verhaal. Voor de rest moeten we ons in de subatomaire wereld wagen: de wereld van deeltjes die kleiner zijn dan het atoom. Een daarvan hebben we al ontmoet: het elektron, dat een van de fundamentele deeltjes van het Standaard Model is.
Elektronen zijn de negatief geladen deeltjes in atomen die om de atoomkern draaien, dezelfde deeltjes die bij hoge energieën worden weggeslingerd om een geïoniseerd plasma te vormen. De atoomkern bestaat intussen uit protonen en neutronen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit drie quarks elk. Binnen protonen en neutronen worden voortdurend gluonen en quark-antiquarkparen gecreëerd, vernietigd, uitgezonden en geabsorbeerd in elk van deze samengestelde deeltjes. Het is een rommelige subatomaire wereld binnenin elk proton en neutron.
zijn spin, maar dat geldt ook voor de gluonen, zee-quarks en antiquarks, en ook voor het baanhoekmomentum. De elektrostatische afstoting en de aantrekkende sterke kernkracht samen geven het proton zijn grootte, en de eigenschappen van quark-menging zijn nodig om de reeks van vrije en samengestelde deeltjes in ons heelal te verklaren. Individuele protonen gedragen zich over het algemeen als fermionen, niet als bosonen. APS/Alan Stonebraker
Hier is het kernpunt dat ons zal leiden naar de vijfde en zesde toestand van materie: elk deeltje in het heelal, ongeacht of het een fundamenteel of een samengesteld deeltje is, valt in een van de twee categorieën.
- Fermion. Dit is een deeltje dat, wanneer wij zijn spin (of intrinsiek impulsmoment) meten, wij altijd waarden krijgen die gekwantiseerd zijn in half-integer waarden van de constante van Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2, enz.
- Boson. Dit is een deeltje dat, als we zijn spin meten, we altijd waarden krijgen die gekwantiseerd zijn in gehele waarden van de constante van Planck: 0, ±1, ±2, enz.
Dat is het. In het hele bekende heelal zijn er geen deeltjes – fundamentele of samengestelde – die in een andere categorie vallen. Alles wat we ooit hebben gemeten gedraagt zich of als een fermion of als een boson.
Model gehoorzamen aan allerlei behoudswetten, maar er zijn fundamentele verschillen tussen fermionische deeltjes en antideeltjes en bosonische deeltjes. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektronen, zijnde fundamentele deeltjes met spins van ±½, zijn duidelijk fermionen. Protonen en neutronen, die elk uit drie quarks bestaan, hebben ook spins die slechts ±½ kunnen zijn, omdat de spin van één quark altijd tegengesteld zal zijn aan de spin van de andere twee. Als men echter een proton en een neutron aan elkaar bindt, ontstaat een samengesteld deeltje dat deuteron wordt genoemd: de atoomkern van een zware isotoop van waterstof die deuterium wordt genoemd.
Een deuteron, dat een fermion is dat aan een ander fermion is gebonden, gedraagt zich altijd als een boson. (Waarom? Omdat ±½ + ±½ alleen gelijk kan zijn aan -1, 0, of +1: de spin-waarden voor een boson). Of we nu te maken hebben met fundamentele of samengestelde deeltjes, fermionen en bosonen vertonen een belangrijk verschil ten opzichte van elkaar. Ja, hun spins zijn verschillend, maar dat verschil leidt tot een verbazingwekkend gevolg: fermionen gehoorzamen aan het Pauli Exclusie Principe; bosonen doen dat niet.
inclusief organische moleculen en biologische processen, is alleen mogelijk vanwege de Pauli exclusie regel die voor elektronen geldt, en die verbiedt dat twee van hen dezelfde quantumtoestand innemen. Jenny Mottar
Het Pauli Exclusie Principe is een van de belangrijkste hoekstenen die werd ontdekt in de begindagen van de kwantum mechanica. Het stelt dat geen twee fermionen exact dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen als elkaar.
Dit komt in het spel als we elektronen op een volledig geïoniseerde atoomkern gaan zetten. Het eerste elektron zakt naar de laagst mogelijke energieconfiguratie: de grondtoestand. Als je een tweede elektron toevoegt, zal het ook proberen om naar de grondtoestand te gaan, maar zal ontdekken dat die al bezet is. Om de energie van zijn configuratie zo laag mogelijk te houden, komt hij in dezelfde toestand terecht, maar moet zijn spin worden omgekeerd: +½ als het eerste elektron -½ was; -½ als het eerste +½ was. Alle volgende elektronen moeten in een steeds hogere energietoestand terechtkomen; geen twee elektronen kunnen dezelfde exacte kwantumconfiguratie hebben in hetzelfde fysische systeem.
komen overeen met verschillende toestanden binnen een waterstofatoom. Vanwege de spin = 1/2 aard van het elektron kunnen slechts twee (+1/2 en -1/2 toestanden) elektronen tegelijk in een bepaalde toestand verkeren. PoorLeno / Wikimedia Commons Maar dit geldt niet voor bosonen. Je kunt zoveel bosonen in de grondtoestand plaatsen als je wilt, zonder beperkingen. Als je de juiste fysische omstandigheden creëert – zoals het afkoelen van een systeem van bosonen en ze opsluiten op dezelfde fysische plaats – is er geen limiet aan het aantal bosonen dat je in die toestand met de laagste energie kunt plaatsen. Wanneer je deze configuratie bereikt, van veel bosonen allemaal in dezelfde kwantumtoestand met de laagste energie, dan heb je de vijfde toestand van materie bereikt: een Bose-Einstein condensaat.
Helium, een atoom gemaakt van twee protonen, twee neutronen, en vier elektronen, is een stabiel atoom gemaakt van een even aantal fermionen, en gedraagt zich daarom als een boson. Bij voldoende lage temperaturen wordt het een superfluïde: een vloeistof zonder viscositeit en zonder wrijving tussen zichzelf of de recipiënten waarmee het in wisselwerking staat. Deze eigenschappen zijn een gevolg van de Bose-Einstein-condensatie. Hoewel helium het eerste boson was dat deze vijfde toestand van materie bereikte, is deze sindsdien gereproduceerd voor gassen, moleculen, quasi-deeltjes en zelfs fotonen. Het blijft ook vandaag nog een actief onderzoeksterrein.
vóór (L), tijdens (midden) en nadat (R) de overgang naar een BEC-toestand is voltooid. De grafiek toont driedimensionale opeenvolgende momentopnamen in de tijd waarin de atomen condenseerden van minder dichte rode, gele en groene gebieden tot zeer dichte blauwe tot witte gebieden. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermionen kunnen daarentegen niet allemaal in dezelfde kwantumtoestand verkeren. Witte dwergsterren en neutronensterren storten niet in elkaar vanwege het Pauli Exclusie Principe; elektronen in aangrenzende atomen (in witte dwergen) of neutronen die aan elkaar grenzen (in neutronensterren) kunnen niet volledig in elkaar storten onder hun eigen zwaartekracht, vanwege de kwantumdruk die wordt geleverd door het Pauli Exclusie Principe. Hetzelfde principe dat verantwoordelijk is voor de atomaire structuur weerhoudt deze dichte configuraties van materie ervan in te storten tot zwarte gaten; twee fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand innemen.
Dus hoe kun je dan de zesde toestand van materie bereiken: een Fermionisch condensaat? Geloof het of niet, maar het verhaal van de fermionische condensaten gaat helemaal terug tot de jaren vijftig, met een ongelooflijke ontdekking door de Nobelprijswinnende natuurkundige Leon Cooper. De term die u zult willen onthouden is naar hem genoemd: Cooperparen.
geladen elektronen zullen de configuraties van de positieve ladingen in de geleider lichtjes veranderen, waardoor de elektronen een lichtjes aantrekkelijke relatieve kracht ondervinden. Dit leidt tot het effect dat ze paren vormen tot Cooperparen, de eerste vorm van een fermionisch condensaat dat ooit is ontdekt. Tem5psu / Wikimedia Commons
Bij lage temperaturen neigt elk deeltje naar zijn configuratie met de laagste energie, de grondtoestand. Als je een geleidend metaal neemt en de temperatuur voldoende verlaagt, zullen twee elektronen met tegengestelde spins met elkaar paren; deze minieme aantrekkingskracht zorgt ervoor dat elektronen paren als een minder energetische, stabielere configuratie dan wanneer al je elektronen afzonderlijk bewegen.
Fermionische condensaten vereisen lagere temperaturen dan Bose-Einsteincondensaten, maar ze gedragen zich ook als een superfluïde. In 1971 werd aangetoond dat helium-3 (met één neutron minder dan standaardhelium) een superfluïde wordt bij temperaturen lager dan 2,5 millikelvin, de eerste demonstratie van een superfluïde waarbij alleen fermionen betrokken zijn. In 2003 creëerde het laboratorium van Deborah Jin het eerste fermionische condensaat op atomaire basis, door gebruik te maken van een sterk magnetisch veld in combinatie met ultrakoude temperaturen om de atomen in deze gezochte toestand te brengen.
gewone toestanden van materie, bij extreem lage temperaturen, kunnen condensaten ontstaan, met unieke fysische eigenschappen. Naast de drie standaardtoestanden van de materie – vast, vloeibaar en gas – is er een hogere-energietoestand van een geïoniseerd plasma, dat ontstaat wanneer atomen en moleculen te weinig elektronen hebben om elektrisch neutraal te zijn. Maar bij ultralage temperaturen kunnen de twee fundamentele klassen van deeltjes, bosonen en fermionen, elk op hun eigen manier condenseren, waardoor respectievelijk Bose-Einstein of Fermionische condensaten ontstaan: de vijfde en zesde toestand van de materie.
Om echter een Fermionisch condensaat uit materie te creëren, moet je buitengewone condities bereiken: temperaturen onder 50 nanokelvin met een toegepast tijdsvariërend magnetisch veld. In de uitgestrekte afgrond van de ruimte is het echter heel goed mogelijk dat neutrino’s (gemaakt van fermionen) of donkere materie (die fermionen of bosonen kunnen zijn) samenklonteren om hun eigen condensaten te vormen. De sleutel tot het ontsluieren van een van de grootste mysteries van het heelal zou kunnen liggen in de zeldzaamste en meest extreme van alle bekende toestanden van materie.
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.