フェルミオン凝縮体

フェルミオン凝縮は、ボーズ・アインシュタイン凝縮よりも低い温度で実現されます。フェルミオン凝縮は超流動の一種です。名前が示すように、超流動は、定まった形状を持たず、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体特性を持っています。しかし、超流動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。たとえば、エネルギーを散逸させることなく高速で流れることができます。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散逸します。この渦は、超流動性が破綻する媒体の「穴」として機能します。超流動性は、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。

フェルミオン超流動を生成することは、ボソン超流動を生成するよりもはるかに困難です。なぜなら、パウリの排他原理により、フェルミオンは同じ量子状態を占めることができないからです。しかし、フェルミオンから超流動が形成されるよく知られたメカニズムがあります。それは、1957年にJ. Bardeen、LN Cooper、R. Schriefferによって超伝導を説明するために発見されたBCS転移です。これらの研究者は、ある温度以下では、電子（フェルミオン）がペアを形成して、現在クーパー対として知られ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、それは超流動となり、それが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た。BCS論文の発表後まもなく、複数の理論家が、ヘリウム3原子のように電子以外のフェルミオンで構成される流体でも同様の現象が起こり得ると提唱した。これらの推測は1971年にDD オシェロフが行った実験でヘリウム3が0.0025 K以下で超流動体になることが示され、 確認された。ヘリウム3の超流動性はBCSのようなメカニズムから生じることがすぐに検証された。^{[ a ]}

1995年にエリック・コーネルとカール・ワイマンがルビジウム原子からボーズ・アインシュタイン凝縮体を生成したとき、当然ながら、フェルミオン原子から同様の凝縮体を作り出し、BCS機構によって超流動体を形成するという見込みが生じた。しかし、初期の計算では、原子内でクーパー対を生成するのに必要な温度は低すぎて実現できないことが示された。2001年、JILAのマーレー・ホランドはこの困難を回避する方法を提案した。彼は、フェルミオン原子を強い磁場にさらすことで、対を形成させることができるのではないかと推測した。

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・ケターレは、フェルミオン原子を誘導して分子ボソンを形成させ、その後ボーズ・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の温度まで冷却し、時間的に変化する磁場をかけた。^{[ 2 ]}  

カイラル凝縮は、量子色力学におけるクォークの理論など、カイラル対称性の破れを持つ質量ゼロの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ある。

超伝導のBCS理論では、フェルミオン凝縮が存在します。金属中のスピンが反対の電子対は、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ます。そして、この束縛状態自体が凝縮体を形成します。クーパー対は電荷を持つため、このフェルミオン凝縮は超伝導体の電磁ゲージ対称性を破り、このような状態の特異な電磁気特性を生み出します。

量子色力学（QCD）では、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、ハドロンに質量を与える（グルーオン凝縮などの他の凝縮と同様に）一因となっています。

クォークのフレーバーがN個あり、クォーク質量がゼロとなる近似的なQCDでは、理論のカイラル対称性は厳密にSU( N )×SU( N )となる。QCD真空は、クォーク凝縮体を形成することで、この対称性をSU( N )に破る。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た。したがって、クォーク凝縮体は、この極限におけるクォーク物質のいくつかの相間の遷移の秩序パラメーターとなる。

これは超伝導のBCS理論と非常によく似ている。クーパー対は擬スカラー中間子に相当する。ただし、真空は電荷を持たない。したがって、すべてのゲージ対称性は破れていない。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る。

ヘリウム3原子はフェルミオンであり、極低温では2原子からなるクーパー対を形成し、これはボソンであり、超流動状態に凝縮する。これらのクーパー対は、原子間距離よりもかなり大きい。