غاز فيرمي الكمي

الغاز المثالي هو غاز نظري يوجد فيه الكثير من جسيمات النقطة المتحركة بشكل عشوائي، والتي لا يحدث فيها أي تفاعلات بين الجسيمات، ويعتبر مفهوم الغاز المثالي مهم؛ لأنه يخضع لقانون الغاز المثالي ومعادلة مبسطة للحالة وقابل للتحليل في إطار الميكانيكا الإحصائية.

ما هو غاز فيرمي الكمي

غاز فيرمي أو غاز الإلكترون الحر عبارة عن مجموعة من الفرميونات غير المتفاعلة، حيث إنها النسخة الميكانيكية الكمومية للغاز المثالي في حالة جسيمات الفرميونية، إذ يمكن اعتبار الإلكترونات الموجودة في المعادن وأشباه الموصلات والنيوترونات في النجم النيوتروني تقريبًا غازات فيرمي.

يتم تحديد توزيع طاقة الفرميونات في غاز فيرمي في حالة توازن حراري من خلال كثافتها ودرجة الحرارة ومجموعة حالات الطاقة المتاحة عبر إحصائيات فيرمي ديراك، ووفقًا لمبدأ باولي لا يمكن أن تشغل أي حالة كمية بأكثر من فيرميون واحد، وبالتالي فإن الطاقة الإجمالية لغاز فيرمي عند درجة حرارة صفر أكبر من ناتج عدد الجسيمات وطاقة الحالة الأرضية أحادية الجسيم.

لهذا السبب يكون ضغط غاز فيرمي غير صفري حتى عند درجة حرارة صفر على عكس الغاز المثالي التقليدي، وهذا ما يطلق عليه ضغط الانحلال يعمل على تثبيت نجم نيوتروني الذي هو عبارة عن غاز فيرمي مكون من نيوترونات أو نجم قزم أبيض الذي هو عبارة عن غاز فيرمي مكون من الإلكترونات ضد سحب الجاذبية إلى الداخل.

ما هي خصائص غاز فيرمي المثالي:غاز فيرمي المثالي هو حالة من المادة عبارة عن مجموعة من العديد من الفرميونات غير المتفاعلة. الفرميونات هي جسيمات تقع تحت إحصائيات فيرمي ديراك مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وبشكل عام الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح.

استخدامات غازات فيرمي في الممارسة العملية

• خلال التجارب قام العلماء بتكييف التقنيات التي طورها الفيزيائيون بالفعل لإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين، حيث بدأوا بجمع عينة من ذرات البوتاسيوم 40 من بخار بدرجة حرارة الغرفة وتبريدها في مصيدة مغناطيسية بصرية، حيث أكسبهم هذا حوالي 500 مليون ذرة عند درجة حرارة 150 K، ثم قاموا بتحميل الذرات في حالتين داخليتين مختلفتين من الدوران في مصيدة مغناطيسية، حيث يمكن تبريدها أكثر.

• ومع ذلك فإن الاحتفاظ بذرات ذات حالتين مختلفتين من السبين في مصيدة مغناطيسية أمر صعب، إذ أن للمصيدة حد أدنى من المجال، وبالتالي يمكنها فقط حصر تلك الذرات بعزم مغناطيسي يشير في الاتجاه المعاكس للحقل المغناطيسي وهذا ما يسمى بحالات البحث عن المجال الضعيف، وفي أثناء تجارب في (JILA) استخدم العلماء ذرات البوتاسيوم -40 في أقل حالة أرضية فائقة الدقة من الطاقة حيث يكون الدوران الذري الكلي (f) هو 9/2.

• الجسيم ذو السبين 9/2 له 10 حالات دوران ( m f = -9/2، -7/2 ئ -5 / 2 … + 9/2) وطاقاتها تنقسم في مجال مغناطيسي بواسطة تأثير زيمان، حيث أن نصف حالات السبين هذه تبحث عن مجال ضعيف، ويمكن من حيث المبدأ أن تكون محصورة في مصيدة مغناطيسية فقد قاموا باستخدام حالتي الدوران اللتين تتمتعان بأكبر عزم مغناطيسي (- m f= +9/2 و m f = +7/2 -) لأنهما لا يتعرضان لاصطدامات غير مرنة من شأنها أن تتركهما في حالات الطاقة المنخفضة التي لا يمكن حبسها.

• وبمجرد أن حصر بثبات خليط الذرات مع حالتين من الدوران في المصيدة المغناطيسية قاموا بتبريدها بالتبخير إلى أقل من (300 nK)، حيث تعمل هذه التقنية بنفس الطريقة التي يعمل بها فنجان من القهوة الساخنة المبردة، إذ تتم إزالة أعلى ذرات طاقة في كلتا حالتي الدوران في التجربة من المصيدة، مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة الغاز المتبقي في العملية، وبمجرد وصول غاز فيرمي إلى النظام الكمومي تم الحصول على معلومات عنه عن طريق إيقاف المصيدة المغناطيسية مما يسمح للغاز بالتمدد وقياس ظل الغاز المصبوب بواسطة الليزر.

• تم استخدام التبريد الودي أيضًا لإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين باستخدام بوزونات ذات حالتين مغزليتين مختلفتين أو نظيرين مختلفين بالإضافة إلى إدخال طريقة أخرى لتبريد ذرات الفرميونات فقد مكنت هذه التجارب من دراسة خليط من البوزونات والفرميونات، وفي تجربة ثالثة باستخدام الليثيوم 6 استخدم جون توماس وزملاؤه في مصيدة بصرية بالكامل لحصر وتبريد خليط من الذرات في حالتين مغزليتين.

تحلل مكثفات بوز وغاز فيرمي

يتم تشكيل مكثفات بوز آينشتاين من ذرة روبيديوم 87 وغاز فيرميوني متحلل كميًا من 40 ذرة بوتاسيوم ومخاليطها باستخدام التبريد بالليزر والتبريد التبخيري في الفخاخ البصرية المغناطيسية والبعيدة ودراسة خصائصها، حيث توفر هذه الغازات الكمومية المخففة تحكمًا كاملاً في درجات الحرية الخارجية والداخلية ومجموعة متنوعة من أدوات الاستجواب الفريدة التي تتيح إجراء دراسات دقيقة للعديد من أنظمة الكم في الجسم.

باستخدام رنين فيشباخ المغناطيسي قاموا بضبط النظام من التفاعل الضعيف، حيث يمكن وصفه ببساطة من خلال وظيفة الموجة العيانية إلى التفاعل القوي، حيث يمكن إنشاء ودراسة العديد من حالات الجسم المترابطة بشكل كبير، وقاموا بدراسة التماسك والديناميكيات والإثارة الأولية لهذه الغازات الكمومية المخففة باستخدام مجسات الليزر والميكروويف وندرس نوعًا جديدًا من القوة البصرية الميكانيكية عندما يتم إضاءتها بشعاع ليزر موحد بعيد المنال.

غاز فيرمي ثنائي القطب متدهور الكم

التفاعل بين التبلور والسيولة الفائقة له أهمية أساسية وتقنية كبيرة في إعدادات المادة المكثفة، على وجه الخصوص تنشأ تبلور السائل الكمومي الإلكتروني في نظام غير فيرمي السائل، وهو نظام الزائفة المجاور لمرحلة الموصلية الفائقة غير التقليدية لنوبرات، في حين أن تقنيات الفيزياء الذرية شديدة البرودة والبصريات الكمومية قد مكّنت من استكشاف فيزياء الأجسام المتعددة المترابطة بقوة والمتأصلة.

على سبيل المثال نموذج هوبارد فقد كان الافتقار إلى القدرة على إنشاء غاز فيرمي المنحل الكمومي مع تفاعلات بين الجسيمات كتفاعل قوي ثنائي القطب الذي يكون قادر على حث نظائرها على بلورات سائلة كمومية إلكترونية، إذ تم الإبلاغ عن أول غاز فيرمي ثنائي القطب المنحل كميًا، والذي يفتح تحقيقه حدودًا جديدة لاستكشاف الفيزياء المترابطة بقوة على وجه الخصوص الذوبان الكمي للسميكتيك في البيئة التي يوفرها إعداد الفيزياء الذرية شديدة البرودة.

ينتج غاز فيرمي المتحلل الكمي من أكثر ذرات (161Dy) المغناطيسية عن طريق التبريد بالليزر إلى 10 uK قبل أن يبرد متعاطفًا مع شديد البرودة المعروف ببوزون 162، حيث إن درجة حرارة (161Dy) المستقطب الدوران هي عامل T / TF = 0.2 أقل من درجة حرارة فيرمي TF = 300 nK، حيث يبرد (161Dy) المحاصر بشكل متزامن إلى ما يقرب من (Tc) لتكثيف بوز-أينشتاين وبالتالي تحقيق خليط غاز بوز فيرمي ثنائي القطب متحلل كميًا تقريبًا.

في عام 1956 طور العالم ليف لانداو نظرية سائل فيرمي، حيث ساعد حالة سائل فيرمي في تصحيح أي نظام به تفاعلات غير مرغوب بها وليست صغيرة بالضرورة بين الفرميونات، إذ توضح النظرية أن الخصائص الديناميكية الحرارية لغاز فيرمي المثالي ولسائل فيرمي ليست مختلفة بشكل كبير، ويمكن معرفة صحة أن سائل فيرمي يكافئ غاز فيرمي المكون من إثارة جماعية أو أشباه جسيمات، ولكل منها كتلة فعالة مختلفة ولحظة مغناطيسية.