费米子凝聚态是什么

费米子凝聚态是什么

人类生存的世界，是一个物质的世界。然而，这个世界还有许多人们肉眼看不到的物质。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质第四态，即“等离子体态”。1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色一爱因斯坦凝聚态”。去年，这个联合研究小组又宣布，他们创造出物质的第六种形态，即“费米子凝聚态”。

所谓“玻色一爱因斯坦凝聚态”，是科学巨匠爱因斯坦在70 年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象，世界科学家为此付出了几十年的努力。 1995年，美国科学家维曼、康奈尔和德国科学家克特勒首先从实验上证实了这个新物态的存在。为此，2001年度诺贝尔物理学奖授予了这3位科学家，以表彰他们在实现“玻色一爱因斯坦凝聚态”研究中作出的突出责献。

“玻色一爱因斯坦凝聚态” 是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚” 到同一状态，要达到该状态，一方面需要物质达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文，曾因研究出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法，而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。“玻色一爱因斯坦凝聚态”所具有的奇特性质，不仅对基础研究有重要意义，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域，也都有很好的应用前景。

何为“费米子凝聚态”

根据“费米子凝聚态”研究小组负责人德博拉·金的介绍， “费米子凝聚态”与“玻色一爱因斯坦凝聚态”都是物质在量子状态下的形态，但处于“费米子凝聚态”的物质不是超导体。

量子力学认为，粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子，而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物质冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚态”。

“费米子凝聚态”是如何创造出来的？

科学家们在1995年已成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温，获得所谓的 “玻色一爱因斯坦凝聚态”。由于没有任何2个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。去年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。这一研究为创造“费米子凝聚态”铺平了道路。

德博拉·金领导的联合研究小组，将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，此时钾原子停止运动。绝对零度相当于一273．15℃。试验中，科学家用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度。为此，还要把原子放到“磁杯”中进行蒸发冷却。他们将气体约束在真空小室中，并采用磁场和激光使钾原子配对，成功地创造出“费米子凝聚态”。

费米子与超导体有哪些不同？

首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具。当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

第六态催生下一代超导体

这项成果在超导技术上的应用前景非常广阔，有助于下一代超导体的诞生，而新一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

简而言之：

费米子凝聚态是类似于玻色-爱因斯坦凝聚态，由大量费米子占据同一量子态形成。

由于泡利不兼容原理，不同的费米子部能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

不过科学家把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子对”，再用同样方法使费米子对冷凝，成为费米子凝聚态。