Propriétés, applications et exemples des condensats fermioniques

UN Condensat de Fermi Il s'agit, dans le sens le plus strict, d'un gaz très dilué formé d'atomes fermioniques qui ont subi une température proche du zéro absolu. De cette façon, et dans des conditions adéquates, ils vont à une phase superflue, formant un nouvel état d'agrégation de la matière.

Le premier condensat fermionique a été obtenu le 16 décembre 2003 aux États-Unis, grâce à une équipe de physiciens de plusieurs universités et institutions. L'expérience a utilisé environ 500 000 atomes de potassium-40 sous un champ magnétique variable et à une température de 5 x 10^-8 Kelvin.

Aimant de supraconducteur. Source: Pixabay

Cette température est considérée comme près du zéro absolu et est bien inférieure à la température de l'espace intergalactique, qui est d'environ 3 Kelvin. La température absolue zéro est comprise comme 0 Kelvin est atteint équivalent à -273,15 degrés Celsius. Puis 3 Kelvin correspond à -270,15 degrés Celsius.

Certains scientifiques considèrent que le condensat fermionique est le statut sexuel de la matière. Les quatre premiers États sont plus familiers à tous: solide, liquide, gaz et plasma.

Auparavant, un cinquième état de matière avait été obtenu lorsqu'un condensat d'atomes bosoniques a été réalisé. Ce premier condensat a été créé en 1995 à partir d'un gaz très dilué de Rubidio-87 refroidi à 17 x 10^-8 Kelvin.

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L'importance des basses températures

Les atomes se comportent très différemment avec des températures proches du zéro absolu, en fonction de la valeur de son moment angulaire intrinsèque ou de son spin.

Cela divise les particules et les atomes en deux catégories:

- Les bosons, qui sont ceux qui ont une rotation entière (1, 2, 3, ...).

- Fermions, qui sont ceux qui ont une rotation semi-fime (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Les bosons n'ont aucune restriction, dans le sens où deux ou plus peuvent occuper le même état quantique.

D'un autre côté, les fermions remplissent le principe d'exclusion de Pauli: deux ou plusieurs fermions ne peuvent pas occuper le même état quantique, ou en d'autres termes: il ne peut y avoir qu'un fermion par état quantique.

Cette différence fondamentale entre les bosons et les fermions fait des condensats fermioniques.

Pour que les fermions occupent tous les niveaux quantiques les plus bas, il est nécessaire qu'ils s'alignent auparavant par paires, de former les appels "Les paires de Cooper"Ils ont un comportement bosonique.

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Histoire, fondations et propriétés

En 1911, lorsque Heike Kamerlingh Onnes a étudié la résistance du mercure soumise à de très basses températures en utilisant l'hélium liquide comme réfrigérant, il a constaté que lors de la température de 4,2 K (-268,9 Celsius), la résistance était brusquement brusque à zéro.

Le premier supraconducteur avait été trouvé de manière non planifiée.

Sans le savoir, h.K. Onnes avait réussi à placer les électrons de conduite ensemble au niveau quantique le plus bas, un fait que, en principe, n'est pas possible parce que les électrons sont des fermions.

Les électrons avaient été atteints à la phase superflue à l'intérieur du métal, mais comme ils ont une charge électrique, ils provoquent un flux de charge électrique avec une viscosité nulle et par conséquent une résistance électrique nulle.

Le même h.K. Onnes à Leiden, la Hollande avait découvert que l'hélium qu'il utilisait comme réfrigérant allait à l'état superflu lorsque la température de 2,2 K (-270,9 Celsius) a été atteinte.

Sans le savoir, h.K. Onnes avait réussi pour la première fois à se placer ensemble à son niveau quantique inférieur aux atomes d'hélium avec lesquels il s'est refroidi à Mercure. Soit dit en passant également que lorsque la température était inférieure à une certaine température critique, l'hélium est passé à la phase superflue (viscosité zéro).

Théorie de la supraconductivité

Helio-4 est un boson et se comporte en tant que tel, il était donc possible de passer de la phase liquide normale à la phase superflue.

Cependant, aucun de ceux-ci n'est considéré comme un condensat fermionique ou bosonique. Dans le cas de la supraconductivité, les fermions tels que les électrons se trouvaient à l'intérieur du réseau cristallin de mercure; Et dans le cas de l'hélium superflu, il était passé de la phase liquide à la phase superflue.

L'explication théorique de la supraconductivité est venue plus tard. C'est la théorie BCS bien connue développée en 1957.

La théorie indique que les électrons interagissent avec le réseau cristallin formant des paires qui au lieu de les répéter. De cette façon, les électrons dans leur ensemble, peuvent occuper les états quantiques d'énergie inférieure, tant que la température est suffisamment basse.

Comment produire un condensat Fermions?

Un condensat légitime de fermions ou de bosons doit commencer à partir d'un gaz très dilué composé d'atomes fermioniques ou bosoniques, qui se refroidit de telle manière que leurs particules passent tous aux états quantiques les plus bas.

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Comme cela est beaucoup plus compliqué que d'obtenir un condensat de bosons, ce n'est que récemment que ces types de condensats ont été créés.

Les fermions sont des particules ou des conglomérats de particules avec un spin semi-alero total. L'électron, le proton et les neutrons sont tous des particules avec un spin ½.

L'hélio-3 noyau (deux protons et un neutron) se comporte comme un fermion. L'atome neutre du potassium-40 possède 19 protons + 21 neutrons + 19 électrons, qui s'ajoutent au nombre impaire 59, donc il se comporte comme un fermion.

Médiation de particules

Les particules de médiation des interactions sont des bosons. Parmi ces particules, nous pouvons nommer ce qui suit:

- Photons (Médiateurs de l'électromagnétisme).

- Gluon (médiateurs d'une forte interaction nucléaire).

- Bosons Z et W (Médiateurs d'interaction nucléaire faibles).

- Gravitón (médiateurs de l'interaction gravitationnelle).

Bosons composés

Parmi les bosons composés sont les suivants:

- Noyau deutérium (1 proton et 1 neutron).

- Atome Helio-4 (2 protons + 2 neutrons + 2 électrons).

À condition que la somme des protons, des neutrons et des électrons d'un atome neutre soit dans un entier, le comportement sera bosón.

Comment un condensat fermionique a été obtenu

Un an avant d'atteindre le condensat Fermions, la formation de molécules avec des atomes fermioniques qui formaient des paires fortement couplées qui se comportaient comme des bosons avaient été obtenues. Cependant, cela n'est pas considéré comme un condensat fermionique pur, mais ressemble plutôt à un condensat bosonique.

But what was achieved on December 16, 2003 by the team made up of Deborah Jin, Markus Greiner and Cindy Regal of the Jila Laboratory in Boulder, Colorado, was the formation of a condensate of pairs of individual fermionic atoms in a gas in a gas.

Dans ce cas, la paire d'atomes ne forme pas de molécule, mais ils se déplacent ensemble de manière corrélée. Ainsi, ensemble, la paire d'atomes fermioniques agit comme un boson, c'est donc sa condensation.

Pour obtenir cette condensation, l'équipe Jila est partie d'un gaz avec des atomes de potassium-40 (qui sont des fermions), qui était confiné dans un piège optique à 300 Nanokelvin.

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Ensuite, le gaz a été soumis à un champ magnétique oscillant pour modifier l'interaction répulsive entre les atomes et la transformer en une interaction attrayante, à travers un phénomène appelé "résonance de Fesbach".

Réglant correctement les paramètres du champ magnétique, il est obtenu que la forme atomes de Cooper au lieu de molécules au lieu de molécules. Ensuite, il continue de refroidir pour atteindre le condensat fermionique.

Applications et exemples

La technologie développée pour réaliser le condensat fermionique, dans lequel les atomes sont pratiquement manipulés presque individuellement, permettra le développement de l'informatique quantique, entre autres technologies.

Il améliorera également la compréhension des phénomènes tels que la supraconductivité et la superfludité permettant de nouveaux matériaux avec des propriétés spéciales. Il a également été découvert qu'il existe un point intermédiaire entre la superflusion des molécules et celle conventionnelle à travers la formation des paires de Cooper.

La manipulation des atomes ultrafrios nous permettront de comprendre la différence entre ces deux façons de produire des superflues, ce qui entraînera sûrement le développement d'une supraconductivité à haute température.

En fait, aujourd'hui, il y a des supraconducteurs qui, bien qu'ils ne fonctionnent pas à température ambiante, ils travaillent à des températures liquides d'azote, qui sont relativement bon marché et faciles à obtenir.

Élargissant le concept de condensat fermionique au-delà des gaz atomiques des fermions, de nombreux exemples peuvent être trouvés dans lesquels les fermions occupent collectivement les niveaux quantiques de faible énergie.

Les premiers comme déjà dit sont les électrons dans un supraconducteur. Ce sont des fermions qui sont alignés par paires pour occuper les niveaux quantiques les plus bas à basse température, présentant un comportement bosonique collectif et réduisant la viscosité et la résistance à zéro.

Un autre exemple de groupe fermionique dans les états à faible énergie est le condensat de quarks. L'atome Helio-3 est également un fermion, mais à basse température, des formes de Cooper de deux atomes qui se comportent comme des bosons et présentent un comportement superflu.

Les références

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2. M grain, C Regal, D Jin. Fermi Condensats. Récupéré de: utilisateurs.La physique.Harvard.Édu
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