flera fermioner, som normalt inte kan uppta samma kvanttillstånd, kan nå ett tillstånd som kallas fermioniskt kondensat, där de alla uppnår den lägsta möjliga energikonfigurationen. Detta är materiens sjätte tillstånd. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Hur många materietillstånd finns det? När du var ung lärde du dig förmodligen om de tre som är vanligast i vår erfarenhet: fast, flytande och gas. Alla dessa förekommer med regelbundenhet här på jordens yta: stenar och is är fasta ämnen, vatten och många oljor är vätskor, medan atmosfären som vi andas är en gas. Dessa tre vanliga materiatillstånd är dock alla baserade på neutrala atomer; begränsningar som universum inte är bundet av.
Om du bombarderar en atom med tillräckligt mycket energi kommer du att sparka bort elektronerna från den och skapa en joniserad plasma: det fjärde materiatillståndet. Men det finns ytterligare två materiatillstånd som existerar: Bose-Einstein-kondensat och Fermioniska kondensat, de femte och sjätte materietillstånden. För närvarande kan de endast uppnås under extrema laboratorieförhållanden, men de kan spela en viktig roll i själva universum. Här är varför.
signifikant kan resultera i ett fast ämne (is) eller en gas (vattenånga), beroende på vilken temperatur som råder och hur snabbt övergången sker. Vid tillräckligt höga temperaturer kommer all atombaserad materia att bli en joniserad plasma: materiens fjärde tillstånd. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Här på jorden består allting av atomer. Vissa atomer binds samman för att bilda molekyler, andra atomer existerar som fristående enheter. Oavsett antalet atomer i en viss kemisk förening – vatten, syre, metan, helium etc. – är det kombinationen av temperatur- och tryckförhållanden som avgör om det är ett fast ämne, en vätska eller en gas.
Vatten, som är mest känt, fryser vid låga temperaturer och blygsamma tryck, blir flytande vid antingen högre tryck och/eller högre temperaturer, och blir en gas vid ännu högre temperaturer eller mycket låga tryck. Det finns dock en kritisk temperatur, över cirka 374 °C (705 °F), vid vilken denna distinktion bryts upp. Vid låga tryck får man fortfarande en gas, men vid högre tryck får man en superkritisk vätska med egenskaper från både gas och vätska. Om man går till ännu högre temperaturer börjar man jonisera molekylerna och skapar en plasma: det fjärde materiatillståndet.
Ibland, om partiklarnas temperaturer/energier är tillräckligt höga, skapas ett tillfälligt tillstånd som kallas quark-gluon-plasma: där inte ens enskilda protoner och neutroner kan bildas på ett stabilt sätt. Detta är den nukleära motsvarigheten till en mer vanlig plasma, där elektroner och kärnor inte lyckas binda samman för att bilda stabila, neutrala atomer. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Och även om det är där de flesta diskussioner om materiens tillstånd slutar, är det knappast slutet på den vetenskapliga historien. I själva verket är det bara slutet på den atomära delen av historien. För resten måste vi ge oss in i den subatomära världen: världen av partiklar som är mindre än atomen. Vi har redan träffat en av dem: elektronen, som är en av de grundläggande partiklarna i standardmodellen.
Elektroner är de negativt laddade partiklarna i atomer som kretsar kring atomkärnan, samma partiklar som sparkas loss vid höga energier för att bilda en joniserad plasma. Atomkärnan består under tiden av protoner och neutroner, som i sin tur består av tre kvarkar vardera. Inom protoner och neutroner skapas, förstörs, emitteras och absorberas ständigt gluoner samt kvark-antikvark-par inom var och en av dessa sammansatta partiklar. Det är en rörig subatomär värld inuti varje proton och neutron.
sitt spinn, men det gör också gluonerna, havskvarkarna och antikvarkarna, och även banans vridmoment. Den elektrostatiska repulsionen och den attraktiva starka kärnkraften ger tillsammans protonen dess storlek, och egenskaperna hos kvarkblandning krävs för att förklara sviten av fria och sammansatta partiklar i vårt universum. Individuella protoner beter sig överlag som fermioner, inte som bosoner. APS/Alan Stonebraker
Här är den viktigaste punkten som kommer att leda oss till materiens femte och sjätte tillstånd: Varje partikel i universum, oavsett om det är en fundamental eller sammansatt partikel, faller in i en av två kategorier.
- Fermion. Detta är en partikel som när vi mäter sitt spinn (eller inneboende vridmoment) alltid får värden som är kvantifierade i halva heltalsvärden av Plancks konstant: ±1/2, ±3/2, ±5/2 osv.
- Boson. Detta är en partikel som, när vi mäter dess spinn, alltid får värden som är kvantifierade i heltalsvärden av Plancks konstant: 0, ±1, ±2, etc.
Det är allt. I hela det kända universum finns det inga partiklar – fundamentala eller sammansatta – som faller in i någon annan kategori. Allt som vi någonsin har mätt beter sig antingen som en fermion eller en boson.
Modellen lyder alla möjliga bevarandelagar, men det finns fundamentala skillnader mellan fermioniska partiklar och antipartiklar och bosoniska partiklar. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektroner, som är grundläggande partiklar med spinn på ±½, är uppenbarligen fermioner. Protoner och neutroner, som var och en består av tre kvarkar vardera, har också spinn som bara kan vara ±½, eftersom spinnet hos en kvark alltid kommer att motsätta sig spinnet hos de andra två. Men om man binder ihop en proton och en neutron skapar man en sammansatt partikel som kallas deuteron: atomkärnan i en tung väteisotop som kallas deuterium.
En deuteron, som är en fermion bunden ihop med en annan fermion, beter sig alltid som en boson. (Varför? Eftersom ±½ + ±½ bara kan vara lika med -1, 0 eller +1: spinnvärdena för en boson). Oavsett om vi har att göra med fundamentala eller sammansatta partiklar uppvisar fermioner och bosoner en viktig skillnad från varandra. Ja, deras spinn är olika, men den skillnaden leder till en häpnadsväckande konsekvens: fermioner lyder Pauli-exklusionsprincipen; bosoner gör inte det.
inklusive organiska molekyler och biologiska processer, är endast möjligt på grund av Pauli-exklusionsregeln som styr elektroner, som förbjuder att två av dem intar samma kvanttillstånd. Jenny Mottar
Paulis uteslutningsprincip är en av de viktigaste hörnstenarna som upptäcktes under kvantmekanikens tidiga dagar. Den säger att inga två fermioner kan uppta exakt samma kvanttillstånd som varandra.
Detta kommer in i bilden när vi börjar sätta elektroner på en fullt joniserad atomkärna. Den första elektronen kommer att sjunka ner till den lägsta möjliga energikonfigurationen: grundtillståndet. Om man lägger till en andra elektron kommer den också att försöka sjunka ner till grundtillståndet, men kommer att upptäcka att det redan är upptaget. För att minimera energin i sin konfiguration sjunker den ner i samma tillstånd, men måste få sitt spinn omvänt: +½ om den första elektronen var -½; -½ om den första var +½. Alla ytterligare elektroner måste gå in i ett progressivt högre och högre energitillstånd; inga två elektroner kan ha samma exakta kvantkonfiguration i samma fysiska system.
motsvarar olika tillstånd inom en väteatom. På grund av elektronens spinn = 1/2-natur kan endast två (+1/2- och -1/2-tillstånd) elektroner befinna sig i ett givet tillstånd samtidigt. PoorLeno / Wikimedia Commons Men detta gäller inte för bosoner. Du kan placera hur många bosoner som helst i grundtillståndskonfigurationen, utan begränsningar. Om du skapar de rätta fysiska förutsättningarna – till exempel genom att kyla ner ett system av bosoner och begränsa dem till samma fysiska plats – finns det ingen gräns för hur många bosoner du kan placera i det lägsta energitillståndet. När man når denna konfiguration, med många bosoner som alla befinner sig i samma kvanttillstånd med lägst energi, har man uppnått materiens femte tillstånd: ett Bose-Einstein-kondensat.
Helium, en atom som består av två protoner, två neutroner och fyra elektroner, är en stabil atom som består av ett jämnt antal fermioner och beter sig därför som en boson. Vid tillräckligt låga temperaturer blir den en superfluid: en vätska med noll viskositet och ingen friktion mellan sig själv eller någon behållare som den interagerar med. Dessa egenskaper är en följd av Bose-Einstein-kondensationen. Helium var den första boson som uppnådde detta femte materietillstånd, men det har sedan dess reproducerats för gaser, molekyler, kvasipartiklar och till och med fotoner. Det är fortfarande ett aktivt forskningsområde idag.
innan (L), under (mitten) och efter (R) övergången till ett BEC-tillstånd är klar. Grafiken visar tredimensionella successiva ögonblicksbilder i tiden där atomerna kondenserades från mindre täta röda, gula och gröna områden till mycket täta blå till vita områden. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermioner kan å andra sidan inte alla befinna sig i samma kvanttillstånd. Vita dvärgstjärnor och neutronstjärnor kollapsar inte på grund av Pauli-exlusionsprincipen; elektroner i intilliggande atomer (i vita dvärgar) eller neutroner som gränsar till varandra (i neutronstjärnor) kan inte helt och hållet kollapsa under sin egen gravitation, på grund av det kvanttryck som Pauli-exlusionsprincipen ger. Samma princip som är ansvarig för atomstrukturen hindrar dessa täta konfigurationer av materia från att kollapsa ner till svarta hål; två fermioner kan inte inta samma kvanttillstånd.
Hur kan man då uppnå det sjätte materietillståndet: ett fermioniskt kondensat? Tro det eller ej, men historien om fermioniska kondensat går ända tillbaka till 1950-talet, med en otrolig upptäckt av den nobelprisbelönade fysikern Leon Cooper. Termen som du vill komma ihåg är uppkallad efter honom: Cooper-par.
laddade elektroner kommer att förändra konfigurationen av de positiva laddningarna i ledaren något, vilket gör att elektronerna upplever en något attraktiv relativ kraft. Detta leder till att de parar sig och bildar Cooper-par, den första formen av fermioniskt kondensat som någonsin upptäckts. Tem5psu / Wikimedia Commons
Vid låga temperaturer tenderar varje partikel mot sin lägsta energi, grundtillståndskonfiguration. Om du tar en ledande metall och sänker temperaturen tillräckligt mycket kommer två elektroner med motsatt spinn att para ihop sig. Denna lilla attraktion kommer att få elektroner att para ihop sig som en mindre energirik, stabilare konfiguration än att ha alla dina elektroner som rör sig individuellt.
Fermioniska kondensat kräver lägre temperaturer än vad Bose-Einstein-kondensat gör, men de beter sig också som en superfluid. År 1971 visades det att helium-3 (med en neutron mindre än standardhelium) blir en superfluid vid temperaturer under 2,5 millikelvin, vilket var den första demonstrationen av en superfluid som endast omfattar fermioner. År 2003 skapade fysikern Deborah Jins laboratorium det första atombaserade fermioniska kondensatet genom att utnyttja ett starkt magnetfält tillsammans med ultrakalla temperaturer för att få atomerna att gå in i detta eftertraktade tillstånd.
vanliga materietillstånd, kan kondensat uppstå vid extremt låga temperaturer, med unika fysiska egenskaper. ©Johan Jarnestad/Kungliga Vetenskapsakademien
Inom de tre vanliga materiatillstånden – fast, flytande och gas – finns det ett högre energitillstånd, ett joniserat plasma, som uppstår när atomer och molekyler har för få elektroner för att vara elektriskt neutrala. Vid extremt låga temperaturer kan dock de två grundläggande klasserna av partiklar, bosoner och fermioner, kondensera tillsammans på var sitt sätt och skapa Bose-Einstein- respektive Fermionkondensat: materiens femte och sjätte tillstånd.
För att skapa ett Fermionkondensat av materia måste man dock uppnå extraordinära förhållanden: temperaturer under 50 nanokelvin med ett applicerat tidsvarierande magnetfält. I rymdens enorma avgrund är det dock ytterst möjligt att neutriner (som består av fermioner) eller mörk materia (som kan vara fermioner eller bosoner) klumpar ihop sig och bildar sina egna kondensat. Nyckeln till att lösa ett av universums största mysterier kan ligga i det sällsyntaste och mest extrema av alla kända materiatillstånd.
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.