ما هي المكثفات الفرميونية

مكثف الفرميون أو مكثف فيرمي ديراك، هو طور سائل فائق يتكون من جسيمات فرميونية عند درجات حرارة منخفضة، إذ يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتكثيف بوز-آينشتاين، وهو طور سائل فائق يتكون من ذرات بوزونية في ظل ظروف مماثلة.

المكثفات الفرميونية

وصف أول مكثف فرميوني معروف حالة الإلكترونات في موصل فائق، حيث أن فيزياء الأمثلة الأخرى بما في ذلك العمل الأخير مع ذرات الفرميونية مماثلة، إذ تم إنشاء أول مكثف فرميوني ذري بواسطة فريق بقيادة العالم ديبوراه جين، باستخدام البوتاسيوم-40 ذرة في جامعة كولورادو بولدر عام 2003.

السيولة الفائضة في مكثفات الفرميون

يتم الحصول على مكثفات الفرميونات عند درجات حرارة أقل من تكاثف بوز-آينشتاين، حيث أن مكثفات الفرميونية هي نوع من السوائل الفائقة، كما يوحي الاسم، ويمتلك السائل الفائق خصائص مائع مشابهة لتلك التي تمتلكها السوائل والغازات العادية، مثل عدم وجود شكل محدد والقدرة على التدفق استجابة للقوى المطبقة.

ومع ذلك، تمتلك السوائل الفائقة بعض الخصائص التي لا تظهر في المادة العادية، على سبيل المثال يمكن أن تتدفق بسرعات عالية دون تبديد أي طاقة أي لزوجة صفرية، فعند السرعات المنخفضة تتبدد الطاقة عن طريق تكوين دوامات كمية، والتي تعمل بمثابة ثقوب في الوسط، حيث تتفكك السيولة الفائقة، إذ تم اكتشاف السوائل الفائقة في الأصل في سائل الهيليوم -4 الذي تكون ذراته بوزونات وليست فرميونات.

السوائل الفائقة الفرميونية

يعد إنشاء مائع فرميوني فائق الصعوبة أكثر من إنشاء السائل البوزوني؛ لأن مبدأ استبعاد باولي يعمل على منع الفرميونات من أخذ نفس الحالة الكمومية، ومع ذلك هناك آلية معروفة يمكن عن طريقها تكوين سائل فائق من الفرميونات، إذ أن هذه الآلية هي انتقال (BCS) الذي اكتشفه في عام 1957 جيه باردين لوصف الموصلية الفائقة.

أظهر هؤلاء المؤلفون أنه تحت درجة حرارة معينة، يمكن للإلكترونات وهي الفرميونات أن تتزاوج لتشكل أزواجًا مرتبطة تعرف الآن باسم أزواج كوبر، وطالما أن الاصطدامات مع الشبكة الأيونية للمادة الصلبة لا توفر طاقة كافية لكسر أزواج كوبر، فسيكون مائع الإلكترون قادرًا على التدفق دون تبديد، ونتيجة لذلك يصبح سائلًا فائقًا، والمادة التي يتدفق من خلالها موصلًا فائقًا.

كانت نظرية الموصلات الفائقة (BCS) ناجحة بشكل كبير في وصف الموصلات الفائقة، بعد وقت قصير من نشر ورقة (BCS)، اقترح العديد من المنظرين أن ظاهرة مماثلة يمكن أن تحدث في السوائل المكونة من الفرميونات بخلاف الإلكترونات، مثل ذرات الهيليوم 3.

حيث تم تأكيد هذه التكهنات في عام 1971، عندما أظهرت التجارب التي أجراها DD أوشيروف أن الهليوم 3 يصبح مائعًا فائقًا أقل من 0.0025 كلفن، وسرعان ما تم التحقق من أن السيولة الفائقة للهيليوم 3 تنشأ من آلية تشبه BCS.

إنشاء أول مكثف فرميوني

عندما أنتج إريك كورنيل وكارل ويمان مكثف بوز-آينشتاين من ذرات الروبيديوم في عام 1995، ظهر بشكل طبيعي احتمال إنشاء نوع مماثل من المكثفات المصنوعة من ذرات الفرميونات، والتي من شأنها أن تشكل مائعًا فائقًا بواسطة آلية BCS، ومع ذلك، أشارت الحسابات المبكرة إلى أن درجة الحرارة المطلوبة لإنتاج اقتران كوبر في الذرات ستكون باردة جدًا، بحيث يتعذر تحقيقها، وفي عام 2001 اقترح موراي هولاند من (JILA) طريقة لتجاوز هذه الصعوبة، ووتكهن بإمكانية إقناع ذرات الفرميونية بالاقتران عن طريق تعريضها لمجال مغناطيسي قوي.

في عام 2003، عن طريق العمل على اقتراح هولاند، تمكنت ديبورا جين من (JILA)، ورودولف جريم من جامعة إنسبروك، وولفجانج كيتيرل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من جعل الذرات الفرميونية في تكوين بوزونات جزيئية، والتي حصل لها بعد ذلك لتكثيف بوز-آينشتاين.

ومع ذلك، لم يكن هذا مكثفًا فرميونيًا حقيقيًا، وفي 16 ديسمبر 2003 تمكن جين من إنتاج مكثف من ذرات الفرميون لأول مرة، حيث تضمنت التجربة 500000 ذرة بوتاسيوم -40 تم تبريدها إلى درجة حرارة 5 × 10 −8 كلفن، وتعريضها لمجال مغناطيسي متغير بمرور الوقت.

أمثلة على مكثفات الفرميون

• مكثفات مراوان: التكثيف اللولبي هو مثال على مكثف فرميوني يظهر في نظريات الفرميونات عديمة الكتلة مع كسر التناظر اللولبي، مثل نظرية الكواركات في الديناميكا الكمومية.

• نظرية الموصلية الفائقة BCS: تحتوي نظرية الموصلية الفائقة (BCS) على مكثف فرميون، حيث يمكن أن يشكل زوج من الإلكترونات في معدن له سبينات متعاكسة حالة ارتباط عددي تسمى زوج كوبر، حيث تشكل الدول المقيدة نفسها بعد ذلك مكثفًا.

نظرًا لأن زوج كوبر يحتوي على شحنة كهربائية، فإن مكثف الفرميون يكسر تناظر المقياس الكهرومغناطيسي لموصل فائق، مما يؤدي إلى ظهور الخصائص الكهرومغناطيسية الرائعة لمثل هذه الحالات.

• في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD): في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، يُطلق على مكثف الكوارك أيضًا اسم مكثف الكوارك، حيث ان هذه الخاصية لفراغ (QCD) هي مسؤولة جزئيًا عن إعطاء كتل للهادرونات جنبًا إلى جنب مع المكثفات الأخرى مثل مكثف الغلوون، وفي نسخة تقريبية من (QCD)، والتي تحتوي على كتل كوارك متلاشية لنكهات N كوارك، هناك تناظر متناظر دقيق للنظرية SU ( N ) × SU ( N ).

يكسر فراغ (QCD) هذا التناظر لـ SU ( N ) عن طريق تكوين كوارك مكثف، ويتم عرض وجود مثل هذا المكثف الفرميوني لأول مرة بشكل واضح في الصيغة الشبكية لـ (QCD)، لذلك فإن مكثف الكوارك هو معلمة ترتيب للانتقالات بين عدة أطوار من مادة الكوارك في هذا الحد.

وهذا مشابه جدًا لنظرية الموصلية الفائقة (BCS)، حيث تتشابه أزواج كوبر مع الميزونات الكاذبة، ومع ذلك فإن الفراغ لا يحمل أي تكلفة، ومن ثم فإن جميع تناظرات المقياس غير منقطعة، إذ يمكن دمج تصحيحات كتل الكواركات باستخدام نظرية الاضطراب اللولبي.

• هيليوم 3 السائل الفائق: إن ذرة الهليوم -3 هي فرميون وفي درجات حرارة منخفضة جدًا، فإنها تشكل أزواج كوبر ثنائية الذرة والتي تكون بوزونية وتتكثف في مائع فائق، حيث أن أزواج كوبر هذه أكبر بكثير من الفصل بين الذرات.

دارة مكثف المقاوم الكمي مع أوضاع ماجورانا فيرميون في الموصل الفائق الطوبولوجي اللولبي:

تم التحري عن دائرة مكثف المقاومات الوسيطة التي تتكون من نقطة كمومية مقترنة بأنماط ماجورانا فيرميون المنفصلة مكانيًا في موصل طوبولوجي فائق، حيث وجد أن مقاومة استرخاء محسّنة بشكل كبير بسبب طبيعة فرميونات ماجورانا، وهي جزيئاتها المضادة للجسيمات وتتكون من إثارة الجسيمات والثقوب بنفس الوفرة.

علاوة على ذلك، في حالة استخدام وضع ماجورانا واحد فقط، يتم قمع مقاومة استرخاء التردد الصفري تمامًا بسبب التداخل المدمر، ونتيجة لذلك، يفتح وضع ماجورانا قناة تبديد غريبة على موصل فائق يُنظر إليه عادةً على أنه عديم التبديد بسبب فجوة التوصيل الفائقة المحدودة.