เมื่อรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2544 ตกเป็นของ ในโบลเดอร์ โคโลราโด จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ พวกเขาได้รับการยอมรับจากการสร้างและศึกษา ซึ่งเป็นก๊าซเจือจางของอะตอมที่ ล้วนอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน ความสำเร็จที่โดดเด่นของพวกเขาทำให้สามารถศึกษา “ก๊าซควอนตัม” ในเชิงทดลองได้เป็นครั้งแรก และเริ่มสาขาย่อยใหม่ของการวิจัยอย่างก้าวกระโดด
ซึ่งรวมถึง
ความเป็นของเหลวยิ่งยวดของก๊าซ เลเซอร์อะตอม และออปติกคลื่นสสาร การวิจัย มุ่งเน้นไปที่อะตอมที่เป็นโบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีการหมุนวนเป็นจำนวนเต็ม แต่ตั้งแต่นั้นมานักฟิสิกส์ได้ขยายงานของพวกเขาเพื่อสร้างก๊าซ ที่ทำจากอะตอมที่เป็นเฟอร์มิออน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีครึ่งเลขจำนวนเต็มหมุน
ที่น่าสนใจคือองค์ประกอบของสสาร โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ล้วนเป็นเฟอร์มิออน ในขณะที่อนุภาคเชิงประกอบ เช่น อะตอม จะเป็นโบซอนหากจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนทั้งหมดเป็นเลขคู่ และเฟอร์มิออนหากจำนวนรวมทั้งหมด เป็นเรื่องแปลก
เฟอร์มิออนและโบซอนมีความแตกต่างกันมากในระดับควอนตัม ดังที่หลักการกีดกันอันโด่งดังของ กล่าวไว้ เฟอร์มิออนที่เหมือนกันไม่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตาม สามารถแบ่งปันสถานะควอนตัมได้ แต่เพื่อสังเกตความแตกต่างพื้นฐานนี้ ก๊าซของโบซอน
หรือเฟอร์เมียนจะต้องถูกทำให้เย็นจนอุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งสถานะควอนตัมแต่ละสถานะมีโอกาสสูงที่จะถูกครอบครอง ที่อุณหภูมิต่ำเหล่านี้ โบซอนจะตกลงสู่สถานะควอนตัมเดียวอย่างกระตือรือร้นเพื่อสร้างคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์ ในขณะที่เฟอร์มิออนมักจะเติมสถานะพลังงานจากต่ำสุดขึ้นไป
โดยมีหนึ่งอนุภาคต่อสถานะควอนตัม (รูปที่1 ) ในทางตรงกันข้าม ที่อุณหภูมิสูง โบซอนและเฟอร์มิออนจะแผ่กระจายไปทั่วหลายสถานะ โดยโดยเฉลี่ยแล้วจะมีอะตอมน้อยกว่าหนึ่งอะตอมต่อสถานะหนึ่งข้อแตกต่างอีกประการหนึ่งคือเฟอร์มิออนไม่เกิดการเปลี่ยนเฟสอย่างฉับพลันในระบอบการปกครอง
ที่มีอุณหภูมิต่ำมาก
พฤติกรรมควอนตัมจะค่อยๆ ปรากฏขึ้นเมื่อก๊าซเฟอร์มิออนเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิเฟอร์มีซึ่งเป็นพลังงานของสถานะที่เติมสูงสุด และk Bคือค่าคงที่ ซึ่งโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1 µK สำหรับก๊าซอะตอม นับเป็นจุดเปลี่ยนจากระบบคลาสสิกไปสู่ระบบควอนตัม พฤติกรรมเชิงควอนตัมแปลกๆ ของเฟอร์มิออน
แผ่ซ่านไปทั่วฟิสิกส์ และมีส่วนรับผิดชอบต่อปรากฏการณ์ต่างๆ ตั้งแต่โครงสร้างอะตอมไปจนถึงความเสถียรของดาวนิวตรอน แต่แตกต่างจากระบบ อื่น ๆ ที่พบในธรรมชาติ ก๊าซของอะตอมเกิดขึ้นในระบอบการปกครองใหม่ที่เย็นจัดและมีความหนาแน่นต่ำซึ่งอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคอ่อนแอ
ก๊าซเจือจางของอะตอมยังให้สภาพแวดล้อมที่ยอดเยี่ยมในการตรวจสอบ สำรวจ และควบคุมปรากฏการณ์ควอนตัม ดังที่ได้แสดงให้เห็นอย่างเพียงพอจากการทดลองที่สวยงามมากมายกับคอนเดนเสทของ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาทำให้อะตอมเฟอร์มิโอนิกเย็นลง ความท้าทายหลักในการทดลอง
ในการสร้างก๊าซเฟอร์มิโอนิกคือการทำให้อะตอมเย็นลงจนมีอุณหภูมิต่ำมาก จากข้อเท็จจริงที่ว่านักฟิสิกส์สามารถทำให้โบซอนเย็นลงได้จนถึงอุณหภูมิไมโครเคลวินตั้งแต่ปี 1995 เมื่อมีการสร้างคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ขึ้นเป็นครั้งแรก เราอาจคิดว่าการทดลองเพื่อทำให้เฟอร์มิออนเย็นลง
จะตามมาหลังจากนั้นไม่นาน อย่างไรก็ตาม การทำให้ก๊าซของอะตอมเฟอร์มิโอนิกเย็นลงนั้นทำได้ยากเนื่องจากคุณสมบัติการชนกันที่แปลกประหลาดของพวกมัน โดยทั่วไป การชนกันมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์ของก๊าซควอนตัม ตัวอย่างเช่น การชนกันแบบยืดหยุ่นทำให้ก๊าซอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน
ในขณะที่มันเย็นลง การชนกันเหล่านี้ยังส่งผลต่อคุณสมบัติหลายอย่างของทั้งคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์และก๊าซเฟอร์มีด้วย โดยพิจารณาจากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาค อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างในพฤติกรรมการชนกันของอะตอมแบบบอโซนิกและเฟอร์มิโอนิกเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิ
ที่จำเป็น
สำหรับก๊าซทั้งหมดในการทำงานเชิงกลเชิงควอนตัม โดยปกติแล้ว อะตอมในก๊าซที่เย็นจัดจะชนกันก็ต่อเมื่อพวกมันเข้าใกล้กันในลักษณะที่เรียกว่าการชนกันแบบ “s-wave” ซึ่งไม่มีโมเมนตัมเชิงมุมสัมพัทธ์ระหว่างอะตอมทั้งสอง แต่เนื่องจากหลักการกีดกันของเพาลี การชนกันของคลื่น s เหล่านี้
เป็นสิ่งต้องห้ามสำหรับเฟอร์มิออนที่อยู่ในสถานะควอนตัมภายในเดียวกัน นั่นคือมีสถานะสปินเหมือนกัน การขาดการชนกันนี้ทำให้ไม่สามารถทำให้ก๊าซอะตอมเฟอร์มิโอนิกเย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เฟอร์มิโอนิกอะตอมที่อยู่ในสภาวะภายในที่แตกต่างกันสามารถชนกันได้ผ่านการชนกัน
ในการทดลองของเรา เราดัดแปลงเทคนิคที่นักฟิสิกส์ได้พัฒนาขึ้นเพื่อสร้างคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ เราเริ่มต้นด้วยการเก็บตัวอย่างอะตอมของโพแทสเซียม-40 จากไอระเหยที่อุณหภูมิห้องและทำให้เย็นลงใน “กับดักแม่เหล็กด้วยแสง” สิ่งนี้ทำให้เรามีอะตอมประมาณ 500 ล้านอะตอมที่อุณหภูมิ 150 µK
จากนั้นเราโหลดอะตอมในสถานะการหมุนภายในที่แตกต่างกัน 2 สถานะลงในกับดักแม่เหล็กซึ่งจะทำให้เย็นลงอีก อย่างไรก็ตาม การถืออะตอมที่มีสถานะการหมุนต่างกันสองสถานะในกับดักแม่เหล็กนั้นค่อนข้างยุ่งยาก กับดักมีสนามแม่เหล็กขั้นต่ำ ดังนั้นจึงสามารถจำกัดอะตอมเหล่านั้นด้วยโมเมนต์แม่เหล็ก
