フェルミオン凝縮体

フェルミオン凝縮体（フェルミ・ディラック凝縮体）は、低温でフェルミオン粒子によって形成される超流動相である。これは、同様の条件下でボソン原子によって形成される超流動相であるボーズ・アインシュタイン凝縮体と密接な関連がある。フェルミオン凝縮体の例としては、超伝導体やヘリウム3の超流動相が挙げられる。希薄原子気体中における最初のフェルミオン凝縮体は、 2003年にコロラド大学ボルダー校のデボラ・S・ジン率いるチームによってカリウム40原子を用いて生成された。 [ 1 ] [ 2 ]

背景

超流動性

フェルミオン凝縮体は、ボース・アインシュタイン凝縮体よりも低い温度で実現されます。フェルミオン凝縮体は超流動体の一種です。その名の通り、超流動体は、明確な形状を持たず、加えられた力に応じて流動する能力など、通常の液体や気体と同様の流動特性を備えています。しかし、超流動体は通常の物質には見られない特性もいくつか持っています。例えば、エネルギーを消散させることなく高速で流動することができます（つまり、粘性はゼロです）。低速では、量子化された渦の形成によってエネルギーが消散し、これが媒質の「穴」として機能し、超流動性が崩れます。超流動は、もともと原子がフェルミオンではなくボソンである液体ヘリウム4で発見されました。

フェルミオン超流体

フェルミオン超流体を生成するのは、ボソン超流体を生成するよりもはるかに困難です。これは、パウリの排他原理により、フェルミオンが同じ量子状態を占めることが禁じられているためです。しかし、フェルミオンから超流体が形成されるメカニズムはよく知られています。そのメカニズムとは、1957 年にJ. バーディーン、LN クーパー、R. シュリーファーが超伝導を説明するために発見したBCS 転移です。この著者らは、特定の温度以下では、電子 (フェルミオン) がペアになって、現在クーパー対と呼ばれている束縛対を形成できることを示しました。固体のイオン格子との衝突によってクーパー対を破壊するのに十分なエネルギーが供給されない限り、電子流体は散逸することなく流れることができます。その結果、超流体となり、その中を流れる物質は超伝導体となります。

BCS理論は超伝導体の記述において驚異的な成功を収めました。BCS論文の発表後まもなく、複数の理論家が、電子以外のフェルミオン（例えばヘリウム3原子）からなる流体でも同様の現象が起こり得ると提唱しました。これらの推測は1971年、DDオシェロフによる実験で、ヘリウム3が0.0025 K以下の温度で超流動状態になることが示され、確証されました。その後まもなく、ヘリウム3の超流動はBCS理論に類似したメカニズムによって生じることが検証されました。[ a ]

フェルミオン原子の凝縮

1995年、エリック・コーネルとカール・ウィーマンがルビジウム原子からボース・アインシュタイン凝縮体を生成した時、フェルミオン原子から同様の凝縮体を生成するという可能性が自然に浮上しました。この凝縮体はBCS機構によって超流動体を形成します。しかし、初期の計算では、原子内でクーパー対を形成するのに必要な温度は達成不可能なほど低すぎることが示されていました。2001年、JILAのマレー・ホランドはこの困難を回避する方法を提案しました。彼は、フェルミオン原子に強い磁場をかけることで、クーパー対を形成させることができると推測しました。

2003年、ホランドの提案に基づき、JILAのデボラ・ジン、インスブルック大学のルドルフ・グリム、MITのヴォルフガング・ケッテルレは、フェルミオン原子を誘導して分子ボソンを形成させ、ボーズ・アインシュタイン凝縮を起こすことに成功した。しかし、これは真のフェルミオン凝縮ではなかった。2003年12月16日、ジンは初めてフェルミオン原子から凝縮体を生成することに成功した。この実験では、50万個の カリウム-40原子を5× 10-8 Kの温度に冷却し 、時間とともに変化する磁場をかけた。[ 2 ]

例

キラル凝縮

カイラル凝縮は、量子色力学のクォーク理論など、カイラル対称性が破れた質量のないフェルミオンの理論に現れるフェルミオン凝縮の一例です。

BCS理論

BCS超伝導理論はフェルミオン凝縮体を持つ。金属中の反対スピンを持つ電子対は、クーパー対と呼ばれるスカラー束縛状態を形成することができる。そして、この束縛状態自体が凝縮体を形成する。クーパー対は電荷を持つため、このフェルミオン凝縮体は超伝導体の電磁ゲージ対称性を破り、このような状態特有の電磁気特性を引き起こす。

QCD

量子色力学（QCD）において、カイラル凝縮はクォーク凝縮とも呼ばれます。QCD真空のこの性質は、ハドロン（およびグルーオン凝縮などの他の凝縮）に質量を与える一因となっています。

QCDの近似バージョンでは、N個のクォークフレーバーに対してクォーク質量がゼロとなり、理論にはSU( N ) × SU( N )のカイラル対称性が正確に存在します。QCD真空は、クォーク凝縮体を形成することで、このSU( N )対称性を破ります。このようなフェルミオン凝縮体の存在は、QCDの格子定式化において初めて明示的に示されました。したがって、この極限において、クォーク凝縮体はクォーク物質の複数の相間の遷移の秩序パラメータとなります。

これは超伝導のBCS理論と非常によく似ています。クーパー対は擬スカラー中間子に類似しています。しかし、真空は電荷を運びません。したがって、すべてのゲージ対称性は破れていません。クォークの質量に対する補正は、カイラル摂動論を用いて組み込むことができます。

ヘリウム3超流動

ヘリウム3原子はフェルミオンであり、非常に低温ではボソン状態の2原子クーパー対を形成し、超流動体へと凝縮します。これらのクーパー対は、原子間の距離よりも大幅に大きいです。

参照

脚注

  1. ^超流動ヘリウム3の理論は、BCS超伝導理論よりも少し複雑です。これらの複雑さは、ヘリウム原子同士の反発力が電子よりもはるかに強いために生じますが、基本的な考え方は同じです。

参考文献

  1. ^デマルコ, ブライアン; ボーン, ジョン; コーネル, エリック (2006). 「デボラ・S・ジン 1968–2016」 . Nature . 538 (7625): 318. doi : 10.1038/538318a . ISSN  0028-0836 . PMID  27762370 .
  2. ^ a b Regal, CA; Greiner, M.; Jin, DS (2004年1月28日). 「フェルミオン原子対の共鳴凝縮の観測」. Physical Review Letters . 92 (4) 040403. arXiv : cond - mat/0401554 . Bibcode : 2004PhRvL..92d0403R . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.040403 . PMID 14995356. S2CID 10799388 .  

出典

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