KONDENSAT FERMIONIK: SIFAT, APLIKASI DAN CONTOH - FISIK - 2025

Sebuah Fermi kondensat adalah, dalam arti ketat, gas yang sangat encer terdiri dari atom fermion yang telah mengalami suhu mendekati nol mutlak. Dengan cara ini, dan dalam kondisi yang sesuai, mereka masuk ke fase superfluida, membentuk keadaan agregasi materi baru.

Kondensat fermionik pertama diperoleh pada 16 Desember 2003 di Amerika Serikat, berkat tim fisikawan dari berbagai universitas dan institusi. Eksperimen tersebut menggunakan sekitar 500 ribu atom kalium-40 yang diberi medan magnet variabel dan suhu 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Magnet superkonduktor. Sumber: pixabay

Suhu tersebut dianggap mendekati nol mutlak dan jauh lebih rendah dari suhu ruang antar galaksi, yaitu sekitar 3 Kelvin. Suhu nol absolut dipahami sebagai 0 Kelvin, yang setara dengan -273,15 derajat Celcius. Jadi 3 Kelvin sama dengan -270,15 derajat Celcius.

Beberapa ilmuwan menganggap kondensat fermionik sebagai jenis kelamin materi. Empat keadaan pertama paling akrab bagi semua orang: padat, cair, gas, dan plasma.

Sebelumnya, keadaan materi kelima telah diperoleh ketika kondensat atom bosonik tercapai. Kondensat pertama ini dibuat pada tahun 1995 dari gas rubidium-87 yang sangat encer yang didinginkan hingga 17 x 10 ^-8 Kelvin.

Pentingnya suhu rendah

Atom berperilaku sangat berbeda pada suhu mendekati nol absolut, bergantung pada nilai momentum sudut intrinsiknya, atau spin.

Ini membagi partikel dan atom menjadi dua kategori:

- Boson, yaitu dengan spin integer (1, 2, 3,…).

- Fermion, yaitu dengan spin semi-integer (1/2, 3/2, 5/2,…).

Boson tidak memiliki batasan apa pun, dalam arti bahwa dua atau lebih dari mereka dapat menempati status kuantum yang sama.

Di sisi lain, fermion memenuhi prinsip pengecualian Pauli: dua atau lebih fermion tidak dapat menempati status kuantum yang sama, atau dengan kata lain: hanya dapat ada satu fermion per status kuantum.

Perbedaan mendasar antara boson dan fermion ini membuat kondensat fermionik lebih sulit diperoleh daripada yang bosonik.

Agar fermion menempati semua level kuantum terendah, sebelumnya mereka harus menyelaraskan berpasangan, untuk membentuk apa yang disebut "pasangan Cooper" yang memiliki perilaku bosonik.

Sejarah, yayasan dan properti

Kembali pada tahun 1911, ketika Heike Kamerlingh Onnes mempelajari ketahanan merkuri pada suhu yang sangat rendah dengan menggunakan helium cair sebagai pendingin, dia menemukan bahwa setelah mencapai suhu 4,2 K (-268,9 Celcius) resistansi turun drastis ke nol. .

Superkonduktor pertama ditemukan dengan cara yang tidak terduga.

Tanpa menyadarinya, HK Onnes telah berhasil menempatkan semua elektron konduksi pada level kuantum terendah, sebuah fakta yang pada prinsipnya tidak mungkin karena elektron adalah fermion.

Telah dicapai bahwa elektron dilewatkan ke fase superfluida di dalam logam, tetapi karena memiliki muatan listrik, elektron menyebabkan aliran muatan listrik dengan viskositas nol dan akibatnya hambatan listrik nol.

HK Onnes sendiri di Leiden, Belanda telah menemukan bahwa helium yang ia gunakan sebagai refrigeran menjadi superfluida ketika suhu 2,2 K (-270,9 Celcius) tercapai.

Tanpa disadari, HK Onnes untuk pertama kalinya berhasil menyatukan atom helium yang dengannya dia mendinginkan merkuri pada level kuantum terendah. Secara sepintas, ia juga menyadari bahwa ketika suhu berada di bawah suhu kritis tertentu, helium berpindah ke fase superfluida (viskositas nol).

Teori superkonduktivitas

Helium-4 adalah boson dan berperilaku seperti itu, itulah mengapa dimungkinkan untuk beralih dari fase cair normal ke fase superfluida.

Namun tidak satupun dari keduanya dianggap sebagai kondensat fermionik atau bosonik. Dalam kasus superkonduktivitas, fermion, seperti elektron, berada di dalam kisi kristal merkuri; dan dalam kasus helium superfluida, helium telah berpindah dari fase cair ke fase superfluida.

Penjelasan teoritis untuk superkonduktivitas datang kemudian. Ini adalah teori BCS terkenal yang dikembangkan pada tahun 1957.

Teori tersebut menyatakan bahwa elektron berinteraksi dengan pasangan pembentuk kisi kristal yang bukannya saling tolak, malah menarik satu sama lain membentuk “pasangan Cooper” yang bertindak sebagai boson. Dengan cara ini, elektron secara keseluruhan dapat menempati status kuantum energi terendah, selama suhunya cukup rendah.

Bagaimana cara menghasilkan kondensat fermion?

Fermion atau boson kondensat yang sah harus dimulai dari gas yang sangat encer yang terdiri dari atom fermionik atau boson, yang didinginkan sedemikian rupa sehingga semua partikelnya menuju ke keadaan kuantum terendah.

Karena ini jauh lebih rumit daripada mendapatkan kondensat boson, baru belakangan ini jenis kondensat ini telah dibuat.

Fermion adalah partikel atau konglomerat partikel dengan setengah putaran penuh. Elektron, proton, dan neutron semuanya adalah ½ partikel spin.

Inti helium-3 (dua proton dan satu neutron) berperilaku seperti fermion. Atom netral kalium-40 memiliki 19 proton + 21 neutron + 19 elektron, yang berjumlah ganjil 59, sehingga berperilaku sebagai fermion.

Partikel mediator

Partikel perantara dari interaksi tersebut adalah boson. Di antara partikel-partikel ini kita dapat menyebutkan yang berikut ini:

- Foton (mediator elektromagnetisme).

- Gluon (mediator interaksi nuklir yang kuat).

- Boson Z dan W (mediator interaksi nuklir lemah).

- Graviton (mediator interaksi gravitasi).

Boson majemuk

Di antara senyawa boson adalah sebagai berikut:

- Inti deuterium (1 proton dan 1 neutron).

- Atom helium-4 (2 proton + 2 neutron + 2 elektron).

Setiap kali jumlah proton, neutron, dan elektron dari atom netral menghasilkan bilangan bulat, perilakunya adalah boson.

Bagaimana kondensat fermionik diperoleh

Setahun sebelum mencapai kondensat fermion, pembentukan molekul dengan atom fermionik yang membentuk pasangan berpasangan erat yang berperilaku seperti boson telah tercapai. Namun ini tidak dianggap sebagai kondensat fermionik murni, melainkan lebih menyerupai kondensat bosonik.

Namun yang dicapai pada 16 Desember 2003, oleh tim Deborah Jin, Markus Greiner, dan Cindy Regal dari laboratorium JILA di Boulder, Colorado, adalah pembentukan kondensat pasangan atom fermionik individu dalam sebuah gas.

Dalam hal ini pasangan atom tidak membentuk molekul, tetapi bergerak bersama secara berkorelasi. Jadi, secara keseluruhan, pasangan atom fermionik berperan sebagai boson, sehingga tercapai kondensasi.

Untuk mencapai kondensasi ini, tim JILA memulai dari gas dengan atom kalium-40 (yang merupakan fermion), yang dikurung dalam perangkap optik pada 300 nanokelvin.

Gas tersebut kemudian mengalami medan magnet yang berosilasi untuk mengubah interaksi tolak antar atom dan mengubahnya menjadi interaksi yang menarik, melalui fenomena yang dikenal sebagai "resonansi Fesbach."

Menyesuaikan parameter medan magnet dengan tepat memungkinkan atom membentuk pasangan Cooper alih-alih molekul. Kemudian terus mendingin untuk mendapatkan kondensat fermionik.

Aplikasi dan contoh

Teknologi yang dikembangkan untuk mencapai kondensat fermionik, di mana atom secara praktis dimanipulasi hampir secara individual, akan memungkinkan pengembangan komputasi kuantum, di antara teknologi lainnya.

Ini juga akan meningkatkan pemahaman fenomena seperti superkonduktivitas dan superfluiditas, memungkinkan material baru dengan sifat khusus. Lebih lanjut, ditemukan bahwa ada titik perantara antara superfluiditas molekul dan molekul konvensional melalui pembentukan pasangan Cooper.

Manipulasi atom sangat dingin akan memungkinkan kita untuk memahami perbedaan antara kedua cara menghasilkan superfluida ini, yang pasti akan menghasilkan perkembangan superkonduktivitas suhu tinggi.

Faktanya, saat ini ada superkonduktor yang meskipun tidak bekerja pada suhu kamar, tetapi bekerja pada suhu nitrogen cair, yang relatif murah dan mudah diperoleh.

Memperluas konsep kondensat fermionik melampaui gas fermion atom, banyak contoh dapat ditemukan di mana fermion secara kolektif menempati tingkat kuantum energi rendah.

Yang pertama seperti yang telah dikatakan adalah elektron dalam superkonduktor. Ini adalah fermion yang disejajarkan berpasangan untuk menempati level kuantum terendah pada suhu rendah, menunjukkan perilaku seperti bosonik kolektif dan mengurangi viskositas dan resistensi ke nol.

Contoh lain pengelompokan fermionik dalam keadaan energi rendah adalah kondensat kuark. Juga atom helium-3 adalah fermion, tetapi pada suhu rendah membentuk pasangan Cooper dari dua atom yang berperilaku seperti boson dan menunjukkan perilaku superfluida.

Referensi

1. K Goral dan K Burnett. Fermionik pertama untuk kondensat. Diperoleh dari: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi kondensat. Diperoleh dari: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers dan B Dumé. Fermions condensate memulai debutnya. Diperoleh dari: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Kondensat fermionik. Dipulihkan dari Wikiwand.com
5. Wikiwand. Kondensat fermionik. Dipulihkan dari Wikiwand.com