费米子凝聚态，原本大家认为不可能！
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所表现出现的状态，但它们是不同粒子的状态。
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，因此费米子又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，就成为了费米凝聚。
费米子和波色子服从不同的统计发布， 所以玻色子在低温环境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（如图）。
我们人类生存的这个世界，有许多肉眼看不到的物质。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，科学家确认了物质第四态，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”。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，费米子的凝聚曾经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（绝对零度相当于-273．15℃），此时钾原子停止运动。试验中，如果用激光方法远不能达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，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大，在同等密度下，如果能够使超导电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，那么制造出常温下的超导体就立即可以实现。
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！
按照上述对费米子凝聚的介绍，我们可以作如下通俗理解。
根据泡利不相容原理，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，形成具有玻色性子特性的“费米子”。于是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”，当发生玻爱冷凝聚时，这些粒子好像约好了一起开始唱歌。
那么，通过库柏机制形成的费米子组合是玻色子吗？
如前所述，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。也就是说，费米子是以配对的形式来体现玻色子特性的，但单个费米子不是玻色子，只有配对才具有玻色子的一些性质。不过，从自旋概念来说，这些组合粒子也是整数自旋，而从统计规律来说，仍然是不同的。
所谓库柏对，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，这使得电子有时（比如低温环境）的能量低于费米能，电子会结合在一起。这一能量降低大约是1meV的量级。一般的温度所对应的热运动的电子能量相对很大，出现库柏对现象通常需要相应的低温条件。库柏对这个概念是建立BCS理论引入的，理论创建人约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗因此获得诺贝尔奖。
玻色子凝聚是指所有粒子的波函数完全一样，而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，但它们的总动量都是一样的。所以，费米凝聚是总动量的凝聚。这一点也可以从它们的波函数看出来。
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。由此看来，如果没有玻色-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，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，比如彼此速度不同）。
玻色-爱因斯坦凝聚态是一种新认知的物质状态，它不是普通的气态、液态或固态。这些物态既有相似之处，又有不同之处。
①.组成粒子不同，气液固体通常都是分子原子构成的，而构成玻色-爱因斯坦凝聚态的粒子除了整数自旋的原子分子以外，还可以是别的任何其它玻色子，比如光子处于玻爱凝聚态就形成激光。
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的课题，我们的想象多丰富都会乏力。所以这里的介绍其实不严谨，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。
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