Фермионный конденсат (или конденсат Ферми – Дирака ) представляет собой сверхтекучую фазу , образованную фермионными частицами при низких температурах . Он тесно связан с конденсатом Бозе-Эйнштейна — сверхтекучей фазой, образующейся бозонными атомами в аналогичных условиях. Самый ранний из известных фермионных конденсатов описывал состояние электронов в сверхпроводнике ; физика других примеров, включая недавние работы с фермионными атомами , аналогична. Первый атомно-фермионный конденсат был создан командой под руководством Деборы С. Джин с использованием атомов калия-40 в Университете Колорадо в Боулдере в 2003 году. [1] [2]
Фермионные конденсаты достигаются при более низких температурах, чем конденсаты Бозе – Эйнштейна. Фермионные конденсаты — это разновидность сверхтекучести . Как следует из названия, сверхтекучая жидкость обладает свойствами жидкости, аналогичными свойствам обычных жидкостей и газов , такими как отсутствие определенной формы и способность течь в ответ на приложенные силы. Однако сверхтекучие жидкости обладают некоторыми свойствами, которых нет в обычном веществе. Например, они могут течь с высокими скоростями, не рассеивая никакой энергии – то есть с нулевой вязкостью . При более низких скоростях энергия рассеивается за счет образования квантованных вихрей , которые действуют как «дыры» в среде, где нарушается сверхтекучесть. Сверхтекучесть первоначально была обнаружена в жидком гелии-4, атомы которого являются бозонами , а не фермионами.
Создать фермионную сверхтекучую жидкость гораздо сложнее, чем бозонную, поскольку принцип Паули запрещает фермионам занимать одно и то же квантовое состояние . Однако существует хорошо известный механизм образования сверхтекучей жидкости из фермионов: этот механизм — переход БКШ , открытый в 1957 году Дж. Бардином , Л. Н. Купером и Р. Шриффером для описания сверхпроводимости. Эти авторы показали, что ниже определенной температуры электроны (которые являются фермионами) могут объединяться в пары, образуя связанные пары, теперь известные как куперовские пары . Пока столкновения с ионной решеткой твердого тела не дадут достаточно энергии для разрыва куперовских пар, электронная жидкость сможет течь без диссипации. В результате она становится сверхтекучей, а материал, через который она течет, — сверхпроводником.
Теория БКШ оказалась феноменально успешной при описании сверхпроводников. Вскоре после публикации статьи BCS несколько теоретиков предположили, что подобное явление может происходить в жидкостях, состоящих из фермионов, отличных от электронов, таких как атомы гелия-3 . Эти предположения получили подтверждение в 1971 г., когда эксперименты, проведенные Д. Д. Ошеровым, показали, что гелий-3 становится сверхтекучим ниже 0,0025 К. Вскоре было подтверждено, что сверхтекучесть гелия-3 возникает по механизму, подобному БКШ. [а]
Когда в 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман получили конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия , естественным образом возникла перспектива создания аналогичного типа конденсата из фермионных атомов, который по механизму БКШ образовал бы сверхтекучую жидкость. Однако ранние расчеты показали, что температура, необходимая для образования куперовской пары в атомах, будет слишком низкой для достижения. В 2001 году Мюррей Холланд из JILA предложил способ обойти эту трудность. Он предположил, что фермионные атомы можно объединить в пары, подвергнув их сильному магнитному полю .
В 2003 году, работая над предложением Холланда, Дебора Джин из JILA, Рудольф Гримм из Университета Инсбрука и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института сумели уговорить фермионные атомы образовать молекулярные бозоны, которые затем подверглись конденсации Бозе-Эйнштейна. Однако это не был настоящий фермионный конденсат. 16 декабря 2003 года Цзину впервые удалось получить конденсат из фермионных атомов. В эксперименте участвовало 500 000 атомов калия -40, охлажденных до температуры 5×10 -8 К и помещенных в изменяющееся во времени магнитное поле. [2]
Киральный конденсат — пример фермионного конденсата, который появляется в теориях безмассовых фермионов с нарушением киральной симметрии , таких как теория кварков в квантовой хромодинамике .
Теория сверхпроводимости БКШ имеет фермионный конденсат . Пара электронов в металле с противоположными спинами может образовывать скалярное связанное состояние , называемое куперовской парой . Сами связанные состояния тогда образуют конденсат. Поскольку куперовская пара имеет электрический заряд , этот фермионный конденсат нарушает электромагнитную калибровочную симметрию сверхпроводника, приводя к чудесным электромагнитным свойствам таких состояний.
В квантовой хромодинамике (КХД) киральный конденсат также называют кварковым конденсатом . Это свойство вакуума КХД частично отвечает за придание массы адронам (наряду с другими конденсатами, такими как глюонный конденсат ).
В приближенной версии КХД, которая имеет нулевые массы кварков для N ароматов кварков , существует точная киральная SU( N ) × SU( N ) -симметрия теории. Вакуум КХД нарушает эту симметрию до SU( N ), образуя кварковый конденсат. Существование такого фермионного конденсата было впервые явно показано в решеточной формулировке КХД. Таким образом , в этом пределе кварковый конденсат является параметром порядка переходов между несколькими фазами кварковой материи .
Это очень похоже на теорию сверхпроводимости БКШ . Куперовы пары аналогичны псевдоскалярным мезонам . Однако вакуум не несет заряда. Следовательно, все калибровочные симметрии не нарушены. Поправки на массы кварков можно внести с помощью киральной теории возмущений .
Атом гелия-3 является фермионом и при очень низких температурах образует двухатомные куперовские пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучее состояние . Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.