第二十三章：费米子凝聚态，原本大家认为不可能！上一章我们讲了玻色—爱因斯坦凝聚态，这一章是费米子凝聚态，两者都是微观粒子在极限条件下都表现出
现的状态。但是不同的状态。费米子凝聚态：类似于玻色-爱因斯坦凝聚态，由大量费米子占据同一量子态形成。由于泡利不相容原理，不同的费米
子不能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。不过科学家把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的
“费米子对”即库柏对，这样使费米子对冷凝，成为费米凝聚。费米子和波色子服从完全不同的统计发布，所以波色子在很低的温度下会占据同一
个能级，但是费米子不会，它会像爬楼梯一样由低到高占据所有可能的能级，如下面下图：我们人类生存的世界，是一个物质的世界。然而，这个世
界还有许多人们肉眼看不到的物质。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质第四态，即“等离子体态
”。1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色一爱因斯坦凝聚态”
。具体内容，可以参考上一章的内容。2004年，这个联合研究小组又宣布，他们创造出物质的第六种形态，即“费米子凝聚态”。量子力学认为
，粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色
。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上。费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着
不同的量子态。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子。而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子，当物质冷却时
，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚态”。科学家们在1995年已
成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温，获得所谓的“玻色一爱因斯坦凝聚态”。由于没有任何2个费米子能拥有相同的量子态，费
米子的凝聚一直被认为不可能实现。后来物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。这一研究为创造“费米子凝聚
态”铺平了道路。德博拉·金领导的联合研究小组，将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，此时钾原子停止运动。绝
对零度相当于一273．15℃。试验中，科学家用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度。为此，还要把原子放到“磁杯”中进行蒸发冷却
。他们将气体约束在真空小室中，并采用磁场和激光使钾原子配对，成功地创造出“费米子凝聚态”。首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多
，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常
温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具。当然，如今的技术并不能使所有费米子都可以发
生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！看着了上面的介绍，大家懂什么是费米子凝聚了吗？我再试着给大家通俗的解释
一下。本来由于泡利不相容原理，不同的费米子不能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。但科学家通过
一种叫库柏对的机制，可以将费米子结合在一起，形成具有玻色性子的“费米子”。这样这些费米子就可以在温度达到极限的时候，慢慢占据最低能
态，就好像大家约好了一群走到一个地方。而玻色—爱因斯坦凝聚和它的区别是，起先有一个粒子在“唱歌”，但在玻色—爱因斯坦凝聚下，粒子好
像约好了一起开始唱歌了。那么可能有的同学会问了：“通过库柏机制形成的费米子组合是玻色子吗？”上文说中把两个费米子结合在一起成为具有
玻色子性质的“费米子对”即库柏对。就是回答了这个问题，即组合的费米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性质。不过从自旋方面来说，这些
组合粒子也是整数自旋。但从根本上的统计来说，是不同的。什么是库柏对，是指电子结合在一起的状态。一般来说，电子之间都有微小的引力，由
此使得电子的能量低于费米能时，电子就会结合在一起，这一能量降低大约是1meV的量级，一般的温度对应热运动能量相对很大，因此库柏对的
现象通常要在低温下超导状态才会出现。库柏对这个概念是的基础是由BCS理论建立，而这个理论是约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗这三
人提出的，这也让他们三个人得到诺贝尔奖。玻色子的凝聚是说所有的粒子的波函数完全一样，但是费米子的凝聚是说，复合子的两个费米子的动量
k都不一样，但是它们总的动量都是一样的,所以凝聚是总动量的凝聚。这也可以从它们的波函数上看出来。还可以这样表述：在库柏机制下，费
米子对可形成束缚态，就像一个复合粒子（原子就是一种典型的复合粒子），而这个复合粒子表现为一个玻色子，所以，费米子对凝聚态本质上就是
玻色爱因斯坦凝聚态。【也就是说没有玻色-爱因斯坦凝聚态机制，费米子凝聚不可能存在！】玻色—爱因斯坦凝聚态指大量的全同的某类玻色子“
凝聚”到完全相同的同一种量子状态之中——这些玻色子的各种物理属性都彼此相同，这是与普通物态最大的不同之处（普通物态的组成粒子的状态
总是各不相同的，比如彼此速度不同）。玻色—爱因斯坦凝聚态是一种新的物质状态，不再是普通的气态或固态，它们之间既有相似之处，又有不同
之处。1、组成粒子不同，气体固体通常都是分子原子构成的，而玻色—爱因斯坦凝聚态构成粒子除了整数自旋的原子分子以外，还可以是别的任何
其他的玻色子，如光子处于玻爱凝聚态是就是激光。2、构成气体固体的分子原子之间的分子力或化学键（本质都是电磁力）是决定气体固体性质的
关键因素；而决定纯粹的玻色—爱因斯坦凝聚态性质的关键因素不是普通的力，而完全是一种纯量子效应的常称为“交换力”的相互作用（本质上是
一种态叠加）。关于玻色—爱因斯坦凝聚，费米凝聚都是科学前沿，我们的想象多丰富都会乏力。所以我的介绍其实不严谨，真正做过这方面实验的人，才是有话语权的。我们都是理解和试图认识这种现象的人。摘自独立学者，诗人，作家，国学起名师灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》 |
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