Fermionen-Kondensat

Ein Fermionen-Kondensat (auch Fermi-Kondensat) ist ein suprafluider Aggregatzustand eines Systems identischer Fermionen bei niedriger Temperatur. Im Fall geladener Fermionen (oder Bosonen) manifestiert sich die Suprafluidität als Supraleitung. Fermionen-Kondensate treten auf bei Elektronen in Supraleitern, Protonen und Neutronen in Atomkernen oder in Neutronensternen, einer Flüssigkeit aus Helium-3-Atomen sowie tiefgekühlten Atomen in Atomfallen.

Erzeugung

In aller Regel beruht die Bildung eines Fermionen-Kondensats darauf, dass aufgrund einer Wechselwirkung je zwei Fermionzustände ein Paar und somit effektiv ein Boson bilden. Ein Fermionen-Kondensat ist dann interpretierbar als Bose-Einstein-Kondensat dieser Fermion-Paare. Tatsächlich ist eine Fermi-Flüssigkeit (der normale Tieftemperatur-Zustand von Fermionen) instabil gegenüber einer kleinen attraktiven Kraft zwischen den Fermionen, der stabile Zustand ist ein Fermionen-Kondensat. Eine suprafluide Phase tritt daher in ganz verschiedenen fermionischen Systemen auf.

Eine Möglichkeit ist, dass sich in einer Atomfalle Moleküle von zwei fermionischen Atomen bilden, die sich als Bosonen verhalten. Bose-Einstein-Kondensate von solchen Molekülen wurden erstmals 2003 nahezu zeitgleich von den Arbeitsgruppen um Rudolf Grimm an der Universität Innsbruck und Deborah Jin am amerikanischen National Institute of Standards and Technology hergestellt.

Im Gegensatz zur Bildung von Molekülen aus zwei Fermionen ist auch denkbar, dass die beiden Fermionen über größere Entfernungen wechselwirken, wie dies beispielsweise im analogen Fall der Elektronen (Cooper-Paare) in Supraleitern stattfindet. Erste Schritte in diese Richtung wurden 2004 mit einem ultrakalten Gas aus Kaliumatomen in der Arbeitsgruppe von Deborah Jin gemacht. Ein ähnlicher Effekt ist auch für die Suprafluidität des Helium-Isotops 3He verantwortlich.

Alle diese Phänomene sind nur bei extrem geringen Temperaturen möglich.

Siehe auch
  • Sechster Aggregatzustand entdeckt, Artikel bei heise online vom 1. Februar 2004
  • Phil Schewe, James Riordon, Ben Stein: BEC Made From Fermion Molecules. In: Physics News Update 663 #1. American Institute of Physics, 25. November 2003, archiviert vom Original am 8. Juli 2008; abgerufen am 10. Juli 2016 (englisch, Bericht über die ersten Entdeckungen der Bose-Einstein-Kondensation von Fermionenpaaren in ultrakalten Gasen).
  • Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs, Artikel in den Physical Review Letters vom 28. Januar 2004 (Volltext nur für Abonnenten der Zeitschrift, z. B. Universitäten) (englisch)
  • Phil Schewe, James Riordon, Ben Stein: Halfway Across the BEC-BCS Prairie. In: Physics News Update 671 #1. American Institute of Physics, 30. Januar 2004, archiviert vom Original am 1. Oktober 2009; abgerufen am 10. Juli 2016 (englisch, Erklärungen zu dem genannten Artikel).


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