مكثف فرميوني

تُحَصَّل المكثفات الفرميونية عند درجات حرارة أقل من تلك التي تُحَصَّل عندها مكثفات بوز-أينشتاين. تُصنَّف المكثفات الفرميونية ضمن أنواع الموائع الفائقة . وكما يوحي الاسم، تمتلك الموائع الفائقة خصائص سائلة مشابهة لتلك التي تمتلكها السوائل والغازات العادية ، مثل انعدام الشكل المحدد وقدرتها على التدفق استجابةً للقوى الخارجية. مع ذلك، تمتلك الموائع الفائقة بعض الخصائص التي لا تظهر في المادة العادية. على سبيل المثال، يمكنها التدفق بسرعات عالية دون تبديد أي طاقة، أي بلزوجة صفرية . عند السرعات المنخفضة، تُبَدَّد الطاقة من خلال تكوُّن دوامات كمومية ، تعمل كـ"ثقوب" في الوسط حيث تتلاشى خاصية الميوعة الفائقة. اكتُشِفَت الميوعة الفائقة لأول مرة في الهيليوم-4 السائل ، الذي تتكون ذراته من بوزونات ، وليست فرميونات.

يُعدّ إنتاج مائع فائق من نوع الفرميونات أصعب بكثير من إنتاج مائع فائق من نوع البوزونات، لأن مبدأ استبعاد باولي يمنع الفرميونات من شغل نفس الحالة الكمومية . مع ذلك، توجد آلية معروفة لتكوين المائع الفائق من الفرميونات، وهي انتقال BCS ، الذي اكتشفه ج.  باردين ، ول. ن.  كوبر ، و ر.  شريفر عام 1957 لوصف الموصلية الفائقة. بيّن هؤلاء الباحثون أنه عند درجة حرارة أقل من حدٍّ معين، يمكن للإلكترونات (وهي فرميونات) أن تتزاوج لتكوين أزواج مرتبطة تُعرف الآن بأزواج كوبر . طالما أن التصادمات مع الشبكة الأيونية للمادة الصلبة لا تُوفّر طاقة كافية لكسر أزواج كوبر، فإن مائع الإلكترونات سيتمكن من التدفق دون تبديد للطاقة. ونتيجةً لذلك، يصبح مائعًا فائقًا، والمادة التي يتدفق عبرها موصلًا فائقًا.

حققت نظرية BCS نجاحًا باهرًا في وصف الموصلات الفائقة. بعد فترة وجيزة من نشر ورقة BCS، اقترح العديد من المنظرين إمكانية حدوث ظاهرة مماثلة في الموائع المكونة من فرميونات أخرى غير الإلكترونات، مثل ذرات الهيليوم-3 . وقد تأكدت هذه التكهنات في عام 1971، عندما أظهرت التجارب التي أجراها د. د.  أوشيروف أن الهيليوم-3 يصبح مائعًا فائقًا عند درجة حرارة أقل من 0.0025 ^{كلفن . وسرعان}  ما تم التحقق من أن خاصية الميوعة الفائقة للهيليوم-3 تنشأ من آلية مشابهة لآلية BCS ^.

عندما أنتج إريك كورنيل وكارل ويمَن مكثف بوز-أينشتاين من ذرات الروبيديوم عام ١٩٩٥، برزت بطبيعة الحال إمكانية إنتاج مكثف مماثل من ذرات فرميونية، والتي من شأنها أن تُشكّل مائعًا فائقًا وفقًا لآلية BCS. مع ذلك، أشارت الحسابات الأولية إلى أن درجة الحرارة اللازمة لتكوين اقتران كوبر في الذرات ستكون منخفضة للغاية. في عام ٢٠٠١، اقترح موراي هولاند في معهد JILA طريقة لتجاوز هذه الصعوبة، حيث افترض إمكانية حثّ الذرات الفرميونية على الاقتران بتعريضها لمجال مغناطيسي قوي .

في عام ٢٠٠٣، وبناءً على اقتراح هولاند، تمكنت ديبورا جين في معهد جيلا، ورودولف غريم في جامعة إنسبروك ، وولفغانغ كيترلي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من حثّ ذرات فرميونية على تكوين بوزونات جزيئية، والتي خضعت بعد ذلك لتكثيف بوز-أينشتاين. مع ذلك، لم يكن هذا تكثيفًا فرميونيًا حقيقيًا. في ١٦ ديسمبر ٢٠٠٣، نجحت جين في إنتاج تكثيف من ذرات فرميونية لأول مرة. تضمنت التجربة ٥٠٠,٠٠٠ ذرة بوتاسيوم -٤٠ تم تبريدها إلى درجة حرارة ٥×١٠⁻⁸ ^كلفن ، وتعريضها لمجال مغناطيسي متغير مع الزمن. ^{[ ٢ ]}  

المكثف الكيرالي هو مثال على المكثف الفرميوني الذي يظهر في نظريات الفرميونات عديمة الكتلة مع كسر التناظر الكيرالي ، مثل نظرية الكواركات في الديناميكا اللونية الكمومية .

تتضمن نظرية BCS للموصلية الفائقة مكثفًا فرميونيًا. يمكن لزوج من الإلكترونات في معدن ذي دوران متعاكس أن يشكل حالة ارتباط قياسية تُسمى زوج كوبر . ثم تشكل حالات الارتباط نفسها مكثفًا. ولأن زوج كوبر يحمل شحنة كهربائية ، فإن هذا المكثف الفرميوني يكسر تناظر القياس الكهرومغناطيسي للموصل الفائق، مما يُؤدي إلى ظهور الخصائص الكهرومغناطيسية غير العادية لهذه الحالات.

في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، يُطلق على المكثف الكيرالي أيضًا اسم مكثف الكواركات . هذه الخاصية لفراغ QCD مسؤولة جزئيًا عن إعطاء كتل للهادرونات (إلى جانب مكثفات أخرى مثل مكثف الغلوونات ).

في نسخة تقريبية من نظرية الكروموديناميكا الكمية (QCD)، حيث تتلاشى كتل الكواركات لـ N نكهة كواركية ، توجد تناظر كيرالي دقيق من نوع SU( N ) × SU( N ) في النظرية. يكسر فراغ QCD هذا التناظر إلى SU( N ) بتكوين مكثف كواركي. وقد تم إثبات وجود هذا المكثف الفرميوني لأول مرة بشكل صريح في صياغة الشبكة لنظرية QCD. وبالتالي، يُعد المكثف الكواركي مُعامل ترتيب للانتقالات بين عدة أطوار من المادة الكواركية في هذه الحالة.

يشبه هذا إلى حد كبير نظرية BCS للموصلية الفائقة. أزواج كوبر مماثلة للميزونات شبه القياسية . مع ذلك، لا يحمل الفراغ أي شحنة. لذا، تبقى جميع تناظرات القياس سليمة. يمكن إدخال تصحيحات لكتل ​​الكواركات باستخدام نظرية الاضطراب الكيرالي .

ذرة الهيليوم -3 هي فرميون ، وعند درجات حرارة منخفضة للغاية، تشكل أزواج كوبر ثنائية الذرات ، وهي بوزونية وتتكثف لتشكل مائعًا فائقًا . هذه الأزواج من كوبر أكبر بكثير من المسافة بين الذرات.