费米子凝聚态是什么？费米子凝聚态有什么用？

当有人问物质有多少种状态时，我相信大多数人会回答，“会有三种状态：固态、气态和液态。”这是我们上学以来就知道的理论知识。其实这个答案是不正确的。物体至少有六种状态：固态、液态、气态、等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚态，还有一种神秘的新状态，3354 费米子凝聚态(也叫费米子凝聚态)，是近年来国外研究人员发现的。

玻色子和费米子

在谈论费米子凝聚态之前，我们需要知道两个问题：第一个问题是玻色和费米子是什么，他们的区别是什么，另一个问题是玻色-爱因斯坦凝聚态是什么。

让我们介绍一下什么是玻色和费米子。很多人不熟悉这两个概念是什么。首先，说到物质的粒子，大多数人首先想到的是电子、原子、光子等粒子。事实上，自然界中几乎所有的物质粒子都可以分为两种类型，即玻色或费米子玻色和费米子的区别在于“自旋”的量子力学性质。玻色是具有整数自旋量子数的粒子，而费米子是具有半整数自旋量子数的粒子。这两种自旋的不同将导致费米子和玻色完全不同的特殊性质

玻色是一种“温顺”的粒子，可以处于相同的量子态。玻色的分布与温度有关。例如，当温度很高时，玻色原子的原子会“分离”3360。当温度低于临界值时，大量玻色原子会聚集在“最低能级”。常见的钠原子是玻色原子。费米子是独立的“群外”粒子，它们相互排斥。如果一个费米子占据一个能级，另一个费米子将不得不进入更高的量子能级。费米子，包括元素周期表中一半的电子、夸克和原子，不会自己聚集在一起。只有当他们的特征被外力改变时，他们才能在一起。

玻色-爱因斯坦凝聚态

如果我们让玻色的一些原子继续冷却……直到它们不再冷。例如，当温度接近绝对零度(-273.15)时，奇迹出现在——。所有的原子都不再独立，不再能区分你我。他们好像变成了超级原子！玻色-爱因斯坦凝聚态，这是物质的第五种形式。

有一个关于它为什么被称为玻色-爱因斯坦凝聚的故事。早在1929年，年轻的印度物理学家玻色，就提出了一个关于原子的新理论。他认为我们不可能在原子尺度上区分两个相似原子(比如两个氧原子)的区别。因为这个理论不同于传统理论，即可以区分同一类中每个原子的“面目”，所以被剥夺了发表权。然后博斯把他带走了。

这篇文章被送到爱因斯坦，爱因斯坦非常重视玻色的文章。他将“玻色”的理论应用于“原子气体”，预言在室温下，原子可能处于任何能级，但在超低温下，原子可能突然下降到最低能级。处于这种状态的大量原子可能表现得像一个物理特性完全相同的大“超级原子”。后来，物理世界称这种物质状态为玻色-爱因斯坦凝聚态。

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有一个理论，但是很难证明。我们必须能够创造出令人信服的凝聚体。玻色-爱因斯坦凝聚体的形成并不容易。一方面，我们需要创造一个非常低的温度，使原子能够凝聚。另一方面，我们也需要原子处于气态。物质如何在极低的温度下保持气态？这真是让无数科学家头疼的问题。后来物理学家发现，一些碱金属、氦原子、钙等原子气体由于制冷不会是液体，更不会高度聚集形成传统的固体。

受试者做到了，但他们没有条件冷却到足够低的温度。随着现代科学技术的飞速发展，诞生了电磁驱动磁阱技术和激光冷却技术。后来，在玻色-爱因斯坦凝聚态理论提出75年后的1997年5月，康奈尔，魏曼和科特勒两位科学家首次直接观测到铷原子蒸气中的玻色-爱因斯坦凝聚。这三位科学家也获得了2000年的诺贝尔奖。

费米子冷凝物

费米子凝聚态是如何产生的？由于没有两个费米子具有相同的量子态，许多人认为费米子凝聚是不可能的。然而呢，研究“费米子凝聚态”的科学家们坚持“大胆实验、仔细观察”的科学实验精神，它们非常小心地向这个陌生的科学领域前进。

由于费米子的“排外”特性，这种特性使得它们不能凝聚在一起。但是，科学家们相信，如果用一些方法来改变费米子的性质并将其转变为玻色子，就可能实现凝聚。后来，他们找到了对付这些不爱“交际”的费米子的方法。于是，他们非常小心地，像爱神丘比特一样，用磁场作为“金箭”射向费米子，促使费米子们来匹配。就这样，两个自旋为半整数的费米子就形成了自旋为整数的费米子对。

有某一些科学家他们甚至可以通过调节某些磁场来控制配对的力度。配对后，费米子保留了一些自己的特性，但摆脱了“脱离群体”的坏习惯。和玻色子一样，在超低温的温度下，一对费米子和另外一对费米子不断地结合。结果呢，所有的气体原子突然凝结成一种凝聚态，就像玻色-爱因斯坦凝聚态，最后形成费米子凝聚态。不同的研究小组使用不同的对象和方法来促进费米子配对。奥地利因斯布鲁克大学的科学家冷却了锂-6原子，并施加了稳定的磁场来促进费米子的结合；科罗拉多州“联合实验室天体物理研究所”采用的技术略有不同。他们冷却钾40个原子并施加磁场。通过设备改变磁场强度，每个原子就会强烈吸引附近的原子，从而“引诱”它们形成一对一对的原子，然后就会凝聚成玻色-爱因斯坦凝聚体。

为什么我们选择钾和锂作为费米子凝聚研究的实验对象？这种选择并不是比较刻意的，而是与所使用的技术有关。将气体冷却到非常低的温度需要几个步骤。第一是使用“激光”技术，将气体降至到几乎接近绝对零度。然后呢，将原子放入一个“磁力陷阱”，在这样的情况下，比较高能量的原子会被允许“逃逸”，就像皮肤汗水蒸发了一样。冷却后，剩余的原子保持在朗克温度。最后是将原子“移动”到“光学”阱中，然后继续蒸发和冷却，最终达到临界值的温度，在这个温度下，气体将浓缩到“超液态”，温度约为52nk。

在一系列的激光冷却操作中，最容易“驾驭”的化学元素是化学元素周期表中第一列中的元素。在第一列的几种元素中，只有“锂-6”和“钾-40”是最稳定的，也是“长寿”费米子。因此，所有进行费米子研究的研究小组都使用这两种元素中的一种。

有两个研究小组用费米子代替玻色子制造出了了玻色-爱因斯坦凝聚态物。这一研究具有重要意义。正如瑞秋大学的物理学家舒利特所说：“以前没有人见过分子的玻色-爱因斯坦凝聚体。这是一个巨大的进步，也是一个非常重要的新研究方向。它可能导致研究超导体的不同新方法。”

世界上优秀的科学家创造的“世界第六种物质形态”，不仅仅是理论物理研究的迈出的一大步，而且呢，在实际应用中也具有非常重要意义。它将有助于下一代超导体的诞生。下一代的超导体技术在很多领域和学科中都具有重要作用。