靈遁者國學智慧2017-09-09 00:18:15

第二十三章：費米子凝聚態，原本大家認為不可能！

上一章我們講了玻色—愛因斯坦凝聚態，這一章是費米子凝聚態，兩者都是微觀粒子在極限條件下都表現出現的狀態。但是不同的狀態。

費米子凝聚態：類似於玻色-愛因斯坦凝聚態，由大量費米子佔據同一量子態形成。由於泡利不相容原理，不同的費米子不能佔據同一量子態，因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。不過科學家把兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的“費米子對”即庫柏對，這樣使費米子對冷凝，成為費米凝聚。

費米子和波色子服從完全不同的統計釋出， 所以波色子在很低的溫度下會佔據同一個能級，但是費米子不會，它會像爬樓梯一樣由低到高佔據所有可能的能級，如下面下圖：

我們人類生存的世界，是一個物質的世界。然而，這個世界還有許多人們肉眼看不到的物質。過去，人們只知道物質有三態，即氣態、液態和固態。

20世紀中期，科學家確認物質第四態，即“等離子體態”。1995年，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組，首次創造出物質的第五態，即“玻色一愛因斯坦凝聚態”。具體內容，可以參考上一章的內容。

2004年，這個聯合研究小組又宣佈，他們創造出物質的第六種形態，即“費米子凝聚態”。

量子力學認為，粒子按其在高密度或低溫度時集體行為可以分成兩大類：一類是費米子，得名於義大利物理學家費米；另一類是玻色子，得名於印度物理學家玻色。

這兩類粒子特性的區別，在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上。費米子則與之相反，更像是“個人主義者”，各自佔據著不同的量子態。“玻色一愛因斯坦凝聚態”物質由玻色子構成，其行為像一個大超級原子。而“費米子凝聚態”物質採用的是費米子，當物質冷卻時，費米子逐漸佔據最低能態，但它們處在不同的能態上，就像人群湧向一段狹窄的樓梯，這種狀態稱作“費米子凝聚態”。

科學家們在1995年已成功地透過將具有玻色子特徵的原子氣體冷卻至低溫，獲得所謂的 “玻色一愛因斯坦凝聚態”。由於沒有任何2個費米子能擁有相同的量子態，費米子的凝聚一直被認為不可能實現。後來物理學家找到了一個克服以上障礙的方法，他們將費米子成對轉變成玻色子。這一研究為創造“費米子凝聚態”鋪平了道路。

德博拉·金領導的聯合研究小組，將具有費米子特徵的鉀原子氣體冷卻到絕對零度以上的十億分之一度，此時鉀原子停止運動。絕對零度相當於一273．15℃。試驗中，科學家用鐳射方法遠遠達不到費米子凝聚所要求的溫度。為此，還要把原子放到“磁杯”中進行蒸發冷卻。他們將氣體約束在真空小室中，並採用磁場和鐳射使鉀原子配對，成功地創造出“費米子凝聚態”。

首先，費米冷凝體所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如果使超導體電子對的吸引力達到費米體中原子對的程度，製造出常溫下的超導體立即可以實現。

超冷氣體中形成費米體為研究超導的機理提供了一個嶄新的物質工具。當然，如今的技術並不能使所有費米子都可以發生費米冷凝，而且所獲得的冷凝體還相當脆弱——比玻璃還要脆！

看著了上面的介紹，大家懂什麼是費米子凝聚了嗎？ 我再試著給大家通俗的解釋一下。

本來由於泡利不相容原理，不同的費米子不能佔據同一量子態，因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。

但科學家透過一種叫庫柏對的機制，可以將費米子結合在一起，形成具有玻色性子的“費米子”。這樣這些費米子就可以在溫度達到極限的時候，慢慢佔據最低能態，就好像大家約好了一群走到一個地方。

而玻色—愛因斯坦凝聚和它的區別是，起先有一個粒子在“唱歌”，但在玻色—愛因斯坦凝聚下，粒子好像約好了一起開始唱歌了。

那麼可能有的同學會問了：“透過庫柏機制形成的費米子組合是玻色子嗎？”

上文說中把兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的“費米子對”即庫柏對。就是回答了這個問題，即組合的費米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性質。不過從自旋方面來說，這些組合粒子也是整數自旋。但從根本上的統計來說，是不同的。

什麼是庫柏對，是指電子結合在一起的狀態。一般來說，電子之間都有微小的引力，由此使得電子的能量低於費米能時，電子就會結合在一起，這一能量降低大約是1meV的量級，一般的溫度對應熱運動能量相對很大，因此庫柏對的現象通常要在低溫下超導狀態才會出現。庫柏對這個概念是的基礎是由BCS理論建立，而這個理論是約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·施裡弗這三人提出的，這也讓他們三個人得到諾貝爾獎。

玻色子的凝聚是說所有的粒子的波函式完全一樣，但是費米子的凝聚是說，複合子的兩個費米子的動量k都不一樣，但是它們總的動量都是一樣的， 所以凝聚是總動量的凝聚。這也可以從它們的波函式上看出來。

還可以這樣表述：在庫柏機制下，費米子對可形成束縛態，就像一個複合粒子（原子就是一種典型的複合粒子），而這個複合粒子表現為一個玻色子，所以，費米子對凝聚態本質上就是玻色愛因斯坦凝聚態。【也就是說沒有玻色-愛因斯坦凝聚態機制，費米子凝聚不可能存在！】

玻色—愛因斯坦凝聚態指大量的全同的某類玻色子“凝聚”到完全相同的同一種量子狀態之中——這些玻色子的各種物理屬性都彼此相同，這是與普通物態最大的不同之處（普通物態的組成粒子的狀態總是各不相同的，比如彼此速度不同）。

玻色—愛因斯坦凝聚態是一種新的物質狀態，不再是普通的氣態或固態，它們之間既有相似之處，又有不同之處。

1、組成粒子不同，氣體固體通常都是分子原子構成的，而玻色—愛因斯坦凝聚態構成粒子除了整數自旋的原子分子以外，還可以是別的任何其他的玻色子，如光子處於玻愛凝聚態是就是鐳射。

2、構成氣體固體的分子原子之間的分子力或化學鍵（本質都是電磁力）是決定氣體固體性質的關鍵因素；而決定純粹的玻色—愛因斯坦凝聚態性質的關鍵因素不是普通的力，而完全是一種純量子效應的常稱為“交換力”的相互作用（本質上是一種態疊加）。

關於玻色—愛因斯坦凝聚，費米凝聚都是科學前沿，我們的想象多豐富都會乏力。所以我的介紹其實不嚴謹，真正做過這方面實驗的人，才是有話語權的。 我們都是理解和試圖認識這種現象的人。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》