Fermionen-Kondensat

Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen

Bosonen und Fermionen sind subatomare Teilchen (Materiebits, die kleiner als ein Atom sind). Der Unterschied zwischen einem Boson und einem Fermion ist die Anzahl der Elektronen, Neutronen und/oder Protonen des Atoms. Ein Atom besteht aus Bosonen, wenn es eine gerade Anzahl von Elektronen hat. Ein Atom ist aus Fermionen zusammengesetzt, wenn es eine ungerade Anzahl von Elektronen, Neutronen und Protonen hat. Ein Beispiel für ein Boson wäre ein Gluon. Ein Beispiel für ein Fermion wäre Kalium-40, das Deborah Jin als Gaswolke verwendete. Bosonen können Klumpen bilden und werden voneinander angezogen, während Fermionen keine Klumpen bilden. Fermionen finden sich gewöhnlich in geraden Strängen, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Das liegt daran, dass Fermionen dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen, das besagt, dass sie sich nicht im gleichen Quantenzustand zusammenfinden können.

Dies ist das Standardmodell der Elementarteilchen, das gewöhnlich nur als Standardmodell bezeichnet wird.

Ähnlichkeit mit Bose-Einstein-Kondensat

Wie die Bose-Einstein-Kondensate werden Fermikondensate mit den Partikeln, aus denen sie sich zusammensetzen, koaleszieren (zu einer Einheit zusammenwachsen). Sowohl Bose-Einstein-Kondensate als auch Fermikondensate sind ebenfalls vom Menschen geschaffene Materiezustände. Die Teilchen, aus denen diese Materiezustände bestehen, müssen künstlich unterkühlt werden, damit sie die Eigenschaften haben, die sie haben. Fermikondensate haben jedoch noch niedrigere Temperaturen erreicht als Bose-Einstein-Kondensate. Außerdem haben beide Aggregatzustände keine Viskosität, was bedeutet, dass sie ohne Unterbrechung fließen können.

Helium-3 und Fermionen

Die Erzeugung eines Fermikondensats ist sehr schwierig. Fermionen gehorchen dem Ausschlussprinzip, und sie werden nicht voneinander angezogen. Sie stoßen sich gegenseitig ab. Jin und ihr Forschungsteam haben einen Weg gefunden, sie miteinander zu verschmelzen. Sie stellten die antisozialen Fermionen ein und legten ein Magnetfeld an, so dass sie ihre Eigenschaften zu verlieren begannen. Die Fermionen behielten zwar immer noch etwas von ihrem Charakter, verhielten sich aber ein wenig wie Bosonen. Dadurch waren sie in der Lage, getrennte Paare von Fermionen immer und immer wieder miteinander verschmelzen zu lassen. Frau Jin vermutet, dass dieser Paarungsprozess bei Helium-3, ebenfalls ein Suprafluid, gleich abläuft. Auf der Grundlage dieser Information können sie die Hypothese aufstellen (eine fundierte Vermutung anstellen), dass Fermionenkondensate auch ohne jede Viskosität fließen werden.

Supraleitung und fermionische Kondensate

Ein weiteres verwandtes Phänomen ist die Supraleitung. Bei der Supraleitung können gepaarte Elektronen mit einer Viskosität von 0 fließen. Es besteht ein gewisses Interesse an der Supraleitung, da sie möglicherweise eine billigere und sauberere Stromquelle darstellt. Sie könnte auch zum Antrieb von Schwebebahnen und Hover-Cars verwendet werden.

Dies kann aber nur geschehen, wenn Wissenschaftler Materialien herstellen oder entdecken können, die bei Raumtemperatur supraleitend sind. Tatsächlich wird ein Nobelpreis an denjenigen verliehen, dem es gelingt, einen Supraleiter bei Raumtemperatur herzustellen. Im Moment besteht das Problem darin, dass Wissenschaftler mit Supraleitern bei etwa -135 °C arbeiten müssen. Dazu werden flüssiger Stickstoff und andere Methoden verwendet, um extrem kalte Temperaturen herzustellen. Das ist natürlich eine mühsame Arbeit, weshalb Wissenschaftler lieber bei Raumtemperatur mit Supraleitern arbeiten. Das Team von Frau Jin ist der Meinung, dass der Ersatz der gepaarten Elektronen durch die gepaarten Fermionen zu einem Supraleiter bei Raumtemperatur führen würde.

Supraleitung. Dies ist der Meissner-Effekt.