wiele fermionów, które normalnie nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, może osiągnąć stan znany jako kondensat fermionowy, w którym wszystkie osiągają najniższą możliwą konfigurację energetyczną. Jest to szósty stan materii. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms

Ile jest stanów materii? Kiedy byłeś mały, prawdopodobnie dowiedziałeś się o trzech, które są najbardziej powszechne w naszym doświadczeniu: ciało stałe, ciecz i gaz. Wszystkie one występują regularnie na powierzchni Ziemi: skały i lód są ciałami stałymi, woda i wiele olejów są cieczami, a atmosfera, którą oddychamy jest gazem. Te trzy powszechne stany materii są oparte na neutralnych atomach, jednakże; ograniczenia, którymi Wszechświat nie jest związany.

Jeśli zbombardujesz jakikolwiek atom wystarczającą ilością energii, wybijesz z niego elektrony, tworząc zjonizowaną plazmę: czwarty stan materii. Istnieją jednak dwa dodatkowe stany materii: Kondensaty Bosego-Einsteina i Kondensaty Fermionowskie, piąty i szósty stan materii. Obecnie są one osiągalne tylko w ekstremalnych warunkach laboratoryjnych, ale mogą odegrać ważną rolę w samym Wszechświecie. Oto dlaczego.

znacznie może doprowadzić do powstania ciała stałego (lodu) lub gazu (pary wodnej), w zależności od tego, jaka jest temperatura i jak szybko następuje przejście. W wystarczająco wysokiej temperaturze cała materia oparta na atomach stanie się zjonizowaną plazmą: czwartym stanem skupienia materii. Wikimedia Commons / Matthieumarechal

Tu, na Ziemi, wszystko składa się z atomów. Niektóre atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki; inne atomy istnieją jako samodzielne jednostki. Niezależnie od liczby atomów w jakimkolwiek związku chemicznym – wodzie, tlenie, metanie, helu, itd. – kombinacja temperatury i ciśnienia określa, czy jest to ciało stałe, ciecz, czy gaz.

Woda, najbardziej znana, zamarza w niskich temperaturach i umiarkowanych ciśnieniach, staje się cieczą przy wyższych ciśnieniach i/lub wyższych temperaturach, a staje się gazem w jeszcze wyższych temperaturach lub bardzo niskich ciśnieniach. Istnieje jednak temperatura krytyczna, powyżej około 374 °C (705 °F), w której to rozróżnienie się załamuje. Przy niskich ciśnieniach nadal mamy do czynienia z gazem; przy wyższych ciśnieniach otrzymujemy płyn nadkrytyczny o właściwościach zarówno gazu, jak i cieczy. Przejdź jeszcze do wyższych temperatur, a zaczniesz jonizować cząsteczki, tworząc plazmę: ten czwarty stan materii.

czasami, jeśli temperatury/energie cząstek są wystarczająco wysokie, tworzą tymczasowy stan znany jako plazma kwarkowo-gluonowa: gdzie nawet pojedyncze protony i neutrony nie mogą się stabilnie uformować. Jest to jądrowy odpowiednik bardziej standardowej plazmy, w której elektrony i jądra nie łączą się ze sobą tworząc stabilne, neutralne atomy. Brookhaven National Laboratory / RHIC

Choć na tym kończy się większość dyskusji o stanach materii, nie jest to bynajmniej koniec naukowej opowieści. Prawdę mówiąc, to tylko koniec atomowej części opowieści. Aby poznać resztę, musimy zapuścić się w świat subatomowy: świat cząstek mniejszych od atomu. Jedną z nich już poznaliśmy: elektron, który jest jedną z fundamentalnych cząstek Modelu Standardowego.

Elektrony to ujemnie naładowane cząstki w atomach, które krążą wokół jądra atomowego, te same cząstki, które przy wysokich energiach zostają wyrzucone, tworząc zjonizowaną plazmę. Tymczasem jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, które z kolei zbudowane są z trzech kwarków każdy. Wewnątrz protonów i neutronów gluony, jak również pary kwark-antykwark, są nieustannie tworzone, niszczone, emitowane i pochłaniane przez każdą z tych złożonych cząstek. Wewnątrz każdego protonu i neutronu panuje bałagan w subatomowym świecie.

jego spin, ale także gluony, kwarki morskie i antykwarki, a także orbitalny moment pędu. Odpychanie elektrostatyczne i przyciągająca silna siła jądrowa, w tandemie, nadają protonowi jego rozmiar, a właściwości mieszania kwarków są wymagane do wyjaśnienia zestawu cząstek swobodnych i złożonych w naszym Wszechświecie. Pojedyncze protony zachowują się jak fermiony, a nie jak bozony. APS/Alan Stonebraker

Oto kluczowy punkt, który doprowadzi nas do piątego i szóstego stanu materii: każda cząstka we Wszechświecie, bez względu na to, czy jest cząstką fundamentalną, czy złożoną, należy do jednej z dwóch kategorii.

1. Fermion. Jest to cząstka, która, gdy mierzymy jej spin (lub wewnętrzny moment pędu), zawsze otrzymuje wartości, które są skwantowane w półintegralnych wartościach stałej Plancka: ±1/2, ±3/2, ±5/2, itd.
2. Bozon. Jest to cząstka, która przy pomiarze jej spinu zawsze otrzymuje wartości skwantowane w całkowitych wartościach stałej Plancka: 0, ±1, ±2, itd.

To wszystko. W całym znanym Wszechświecie nie ma cząstek – fundamentalnych czy złożonych – które należałyby do jakiejkolwiek innej kategorii. Wszystko, co kiedykolwiek zmierzyliśmy, zachowuje się albo jak fermion, albo jak bozon.

Model przestrzega wszelkiego rodzaju praw zachowania, ale istnieją fundamentalne różnice między cząstkami fermionicznymi i antycząstkami a cząstkami bozonicznymi. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Elektrony, będąc fundamentalnymi cząstkami o spinach ±½, są oczywiście fermionami. Protony i neutrony, z których każdy składa się z trzech kwarków, również mają spiny, które mogą wynosić tylko ±½, ponieważ spin jednego kwarka zawsze będzie przeciwny do spinu dwóch pozostałych. Jeśli jednak zwiążemy ze sobą proton i neutron, otrzymamy cząstkę złożoną zwaną deuteronem: jądro ciężkiego izotopu wodoru zwanego deuterem.

Deuteron, który jest fermionem związanym z innym fermionem, zawsze zachowuje się jak bozon. (Dlaczego? Ponieważ ±½ + ±½ może być równe tylko -1, 0 lub +1: wartości spinu bozonu). Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z cząstkami podstawowymi, czy złożonymi, fermiony i bozony wykazują kluczową różnicę między sobą. Tak, ich spiny są różne, ale ta różnica prowadzi do zadziwiającej konsekwencji: fermiony przestrzegają Zasady Wykluczenia Pauliego; bozony nie.

w tym cząsteczki organiczne i procesy biologiczne, jest możliwe tylko dzięki zasadzie wykluczenia Pauliego, która rządzi elektronami, zabraniając dwóm z nich zajmowania tego samego stanu kwantowego. Jenny Mottar

Zasada Wykluczenia Pauliego jest jednym z kluczowych kamieni węgielnych, które zostały odkryte we wczesnych dniach mechaniki kwantowej. Stwierdza ona, że żadne dwa fermiony nie mogą zajmować dokładnie tego samego stanu kwantowego co jeden inny.

Wchodzi to w grę, gdy zaczynamy umieszczać elektrony na w pełni zjonizowanym jądrze atomowym. Pierwszy elektron opadnie do najniższej możliwej konfiguracji energetycznej: stanu podstawowego. Jeśli dodamy drugi elektron, on również będzie próbował zejść do stanu podstawowego, ale okaże się, że jest on już zajęty. Aby zminimalizować energię swojej konfiguracji, wpada on do tego samego stanu, ale musi mieć odwrócony spin: +½, jeśli pierwszy elektron był -½; -½, jeśli pierwszy był +½. Każdy kolejny elektron musi przejść w coraz wyższy stan energetyczny; żadne dwa elektrony nie mogą mieć takiej samej dokładnej konfiguracji kwantowej w tym samym układzie fizycznym.

odpowiadają różnym stanom w atomie wodoru. Z powodu spinu = 1/2 natury elektronu, tylko dwa (+1/2 i -1/2 stany) elektrony mogą być w danym stanie jednocześnie. PoorLeno / Wikimedia Commons

Ale to nie jest prawda dla bozonów. Można umieścić tyle bozonów w konfiguracji stanu podstawowego, ile się chce, bez żadnych ograniczeń. Jeśli stworzymy odpowiednie warunki fizyczne – takie jak schłodzenie układu bozonów i zamknięcie ich w tym samym fizycznym miejscu – nie ma ograniczeń co do liczby bozonów, które można zmieścić w tym najniżejenergetycznym stanie. Kiedy osiągniesz taką konfigurację wielu bozonów w tym samym stanie kwantowym o najniższej energii, osiągnąłeś piąty stan materii: kondensat Bosego-Einsteina.

Hel, atom zbudowany z dwóch protonów, dwóch neutronów i czterech elektronów, jest stabilnym atomem zbudowanym z parzystej liczby fermionów, dlatego zachowuje się jak bozon. W wystarczająco niskiej temperaturze staje się superpłynny: płyn o zerowej lepkości i braku tarcia między nim samym a jakimkolwiek pojemnikiem, z którym wchodzi w interakcję. Właściwości te są konsekwencją kondensacji Bosego-Einsteina. Chociaż hel był pierwszym bozonem, który osiągnął ten piąty stan materii, od tego czasu został on odtworzony dla gazów, molekuł, kwazicząstek, a nawet fotonów. Do dziś pozostaje to aktywnym obszarem badań.

przed (L), w trakcie (środek) i po (R) zakończeniu przejścia do stanu BEC. Grafika pokazuje trójwymiarowe, następujące po sobie ujęcia w czasie, w których atomy skondensowały się z mniej gęstych obszarów czerwonych, żółtych i zielonych do bardzo gęstych obszarów niebieskich i białych. NIST/JILA/CU-Boulder

Fermiony, z drugiej strony, nie mogą być wszystkie w tym samym stanie kwantowym. Białe karły i gwiazdy neutronowe nie zapadają się z powodu Zasady Wykluczenia Pauliego; elektrony w sąsiednich atomach (w białych karłach) lub neutrony, które graniczą ze sobą (w gwiazdach neutronowych) nie mogą całkowicie zapaść się pod wpływem własnej grawitacji, z powodu ciśnienia kwantowego zapewnianego przez Zasadę Wykluczenia Pauliego. Ta sama zasada, która jest odpowiedzialna za strukturę atomową, utrzymuje te gęste konfiguracje materii przed zapadnięciem się do czarnych dziur; dwa fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego.

Jak więc można osiągnąć szósty stan materii: kondensat fermionowy? Wierzcie lub nie, ale historia kondensatów fermionowych sięga lat 50. ubiegłego wieku, kiedy to fizyk Leon Cooper, laureat Nagrody Nobla, dokonał niesamowitego odkrycia. Termin, który będziesz chciał zapamiętać, został nazwany na jego cześć: pary Coopera.

naładowane elektrony będą nieznacznie zmieniać konfiguracje ładunków dodatnich w przewodniku, powodując, że elektrony doświadczają lekko przyciągającej siły względnej. Prowadzi to do tego, że łączą się one w pary, tworząc pary Coopera, pierwszą formę kondensatu fermionowego, jaką kiedykolwiek odkryto. Tem5psu / Wikimedia Commons

W niskich temperaturach każda cząstka dąży do swojej najniższej energii, konfiguracji stanu podstawowego. Jeśli weźmiesz przewodzący metal i wystarczająco obniżysz temperaturę, dwa elektrony o przeciwnych spinach połączą się w pary; to maleńkie przyciąganie spowoduje, że elektrony połączą się w pary jako mniej energetyczna, bardziej stabilna konfiguracja, niż gdyby wszystkie elektrony poruszały się indywidualnie.

Kondensaty fermionowe wymagają niższych temperatur niż kondensaty Bosego-Einsteina, ale również zachowują się jak superpłyn. W 1971 r. wykazano, że hel-3 (z jednym neutronem mniej niż standardowy hel) staje się superpłynny w temperaturze poniżej 2,5 milikelwina, co było pierwszą demonstracją superpłynności z udziałem tylko fermionów. W 2003 roku laboratorium fizyka Deborah Jin stworzyło pierwszy atomowy kondensat fermionowy, wykorzystując silne pole magnetyczne i ultraniskie temperatury, aby wprowadzić atomy w ten pożądany stan.

powszechne stany materii, w ekstremalnie niskich temperaturach mogą pojawić się kondensaty o unikalnych właściwościach fizycznych. ©Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Poza trzema standardowymi stanami materii – stałym, ciekłym i gazowym – istnieje jeszcze wysokoenergetyczny stan zjonizowanej plazmy, powstający wszędzie tam, gdzie atomy i cząsteczki mają zbyt mało elektronów, by być elektrycznie neutralne. Jednak w bardzo niskich temperaturach dwie podstawowe klasy cząstek, bozony i fermiony, mogą skondensować się razem na swój własny sposób, tworząc kondensaty Bosego-Einsteina lub Fermiona, odpowiednio: piąty i szósty stan materii.

Aby stworzyć kondensat Fermiona z materii, trzeba jednak osiągnąć nadzwyczajne warunki: temperatury poniżej 50 nanokelwinów z przyłożonym zmiennym w czasie polem magnetycznym. Jednak w ogromnej otchłani kosmosu jest bardzo możliwe, że neutrina (zbudowane z fermionów) lub ciemna materia (która może być fermionami lub bozonami) zlepiają się ze sobą, tworząc własne kondensaty. Klucz do odblokowania jednej z największych tajemnic Wszechświata może leżeć w najrzadszym i najbardziej ekstremalnym ze wszystkich znanych stanów materii.

Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.

.