- La importància de les baixes temperatures
- Història, fonaments i propietats
- La teoria de la superconductivitat
- Com produir un condensat de fermions?
- partícules mediadores
- bosones compostos
- Com es va obtenir un condensat fermiònic
- Aplicacions i exemples
- referències
Un condensat de Fermi és, en el sentit més estricte, un gas molt diluït format per àtoms fermiónicos que s'han sotmès a una temperatura propera a l'zero absolut. D'aquesta manera, i sota condicions adequades, passen a una fase superfluida, formant un nou estat d'agregació de la matèria.
El primer condensat fermiònic es va obtenir el 16 de desembre de 2003 a Estats Units, gràcies a un equip de físics de diverses universitats i institucions. L'experiment va usar uns 500 mil àtoms de potassi-40 sotmesos a un camp magnètic variable ia una temperatura de 5 x 10 -8 Kelvin.
Imant superconductor. Font: pixabay
Aquesta temperatura es considera a prop de el zero absolut i és moltíssim menor que la temperatura de l'espai intergalàctic, que és aproximadament 3 Kelvin. S'entén per zero absolut de temperatura s'assoleixen 0 Kelvin que equival a -273,15 graus Celsius. Llavors 3 Kelvin corresponen a -270,15 graus Celsius.
Alguns científics consideren que el condensat fermiònic és el sexe estat de la matèria. Els primers quatre estats són més familiars per a tots: sòlid, líquid, gas i plasma.
Prèviament s'havia obtingut un cinquè estat de la matèria quan es va aconseguir un condensat d'àtoms bosónicos. Aquest primer condensat es va crear l'any 1995 a partir d'un gas molt diluït de rubidi-87 refredat fins a 17 x 10 -8 Kelvin.
La importància de les baixes temperatures
Els àtoms es comporten de forma molt diferent a temperatures properes a l'zero absolut, depenent de la valor del seu moment angular intrínsec o espín.
Això divideix les partícules i als àtoms en dues categories:
- Els bosons, que són els que tenen espín sencer (1, 2, 3,…).
- Els fermions, que són els que tenen espín semientero (1/2, 3/2, 5/2,…).
Els bosons no tenen cap restricció, en el sentit que dos o més d'ells poden ocupar un mateix estat quàntic.
En canvi els fermions compleixen el principi d'exclusió de Pauli: dos o més fermions no poden ocupar el mateix estat quàntic, o en altres paraules: només pot haver-hi un fermió per estat quàntic.
Aquesta diferència fonamental entre bosons i fermions fa que els condensats fermiónicos siguin més difícils d'obtenir que els bosónicos.
Perquè els fermions passin a ocupar tots els nivells quàntics més baixos cal que prèviament s'alineïn en parells, per formar els anomenats "parells de Cooper" que tenen comportament bosónico.
Història, fonaments i propietats
Allà per l'any 1911, quan Heike Kamerlingh Onnes estudiava la resistència el mercuri sotmès a temperatures molt baixes usant heli líquid com a refrigerant, va trobar que a l'arribar a la temperatura de 4,2 K (-268,9 Celsius) la resistència queia abruptament a zero.
El primer superconductor havia estat trobat d'una manera no prevista.
Sense saber-ho, HK Onnes havia aconseguit col·locar als electrons de conducció tots junts al nivell quàntic més baix, fet que en principi no és possible perquè els electrons són fermions.
S'havia aconseguit que els electrons passaran a la fase superfluida dins el metall, però com tenen càrrega elèctrica, ocasionen un flux de càrrega elèctrica amb viscositat zero i conseqüentment resistència elèctrica zero.
El mateix HK Onnes a Leiden, Holanda havia trobat que l'heli que usava com a refrigerant passava a estat superfluid quan s'arribava a la temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius).
Sense saber-ho, HK Onnes havia aconseguit per primera vegada col·locar junts en el seu nivell quàntic més baix als àtoms de l'heli amb què refredava a el mercuri. De passada també es va adonar que quan la temperatura estava per sota de certa temperatura crítica, l'heli passava a la fase superfluida (viscositat zero).
La teoria de la superconductivitat
L'heli-4 és un bosó i es comporta com a tal, per això es va aconseguir passar de la fase líquida normal a la fase superfluida.
No obstant això cap d'aquests es considera un condensat fermiònic o bosónico. En el cas de la superconductivitat, els fermions com els electrons, estaven dins de la xarxa cristal·lina de l'mercuri; i en el cas de l'heli superfluid s'havia passat de la fase líquida a la fase superfluida.
L'explicació teòrica de la superconductivitat va arribar més tard. És la coneguda teoria BCS desenvolupada l'any 1957.
La teoria afirma que els electrons interactuen amb la xarxa cristal·lina formant parells que en comptes de repel·lir-, s'atrauen formant els "parells de Cooper" que actuen com bosons. D'aquesta manera els electrons com a conjunt, poden ocupar els estats quàntics de menys energia, sempre que la temperatura sigui prou baixa.
Com produir un condensat de fermions?
Un legítim condensat de fermions o de bosones ha de partir d'un gas molt diluït compost per àtoms fermiónicos o bosónicos, que es refredi de tal manera que les seves partícules passin totes als estats quàntics més baixos.
Com que això és molt més complicat que aconseguir un condensat de bosons, és només recentment quan s'ha aconseguit crear aquests tipus de condensats.
Els fermions són partícules o conglomerats de partícules amb espín total semientero. L'electró, el protó i el neutró són totes partícules amb espín ½.
El nucli d'heli-3 (dos protons i un neutró) es comporta com un fermió. L'àtom neutre de l'potassi-40 té 19 protons + 21 neutrons + 19 electrons, que sumen el nombre imparell 59, de manera que es comporta com fermió.
partícules mediadores
Les partícules mediadores de les interaccions són bosons. Entre aquestes partícules podem anomenar les següents:
- Fotons (mediadors de l'electromagnetisme).
- Gluon (mediadors de la interacció nuclear forta).
- Bosones Z i W (mediadors de la interacció nuclear feble).
- Gravitó (mediadors de la interacció gravitacional).
bosones compostos
Entre els bosons compostos estan els següents:
- Nucli de deuteri (1 protó i 1 neutró).
- Àtom d'heli-4 (2 protons + 2 neutrons + 2 electrons).
Sempre que la suma de protons, neutrons i electrons d'un àtom neutre resulti en un nombre sencer el comportament serà de bosó.
Com es va obtenir un condensat fermiònic
Un any abans d'assolir el condensat de fermions, s'havia aconseguit la formació de molècules amb àtoms fermiónicos que formaven parells fortament acoblats que es comportaven com bosons. No obstant això això no es considera un condensat fermiònic pur, sinó que més aviat s'assembla a un condensat bosónico.
Però el que es va aconseguir el 16 de desembre de 2003 per l'equip conformat per Deborah Jin, Markus Greiner i Cindy Regal de laboratori Jila a Boulder, Colorado, va ser la formació d'un condensat de parells d'àtoms fermiónicos individuals en un gas.
En aquest cas el parell d'àtoms no formen una molècula, sinó que es mouen junts en forma correlacionada. Així, en conjunt el parell d'àtoms fermiónicos actua com un bosó, d'allí que s'hagi aconseguit la seva condensació.
Per aconseguir aquesta condensació, l'equip Jila, va partir d'un gas amb àtoms de potassi-40 (que són fermions), que va ser confinat en una trampa òptica a 300 nanokelvin.
Després es va sotmetre el gas a un camp magnètic oscil·lant per alterar la interacció repulsiva entre àtoms i convertir-la en interacció atractiva, mitjançant un fenomen conegut com "ressonància de Fesbach".
Ajustar els paràmetres de camp magnètic adequadament s'aconsegueix que els àtoms formin parells de Cooper en comptes de molècules. Després es continua refredant per aconseguir el condensat fermiònic.
Aplicacions i exemples
La tecnologia desenvolupada per assolir els condensats fermiónicos, en la qual pràcticament es manipulen els àtoms gairebé en forma individual, permetrà el desenvolupament de la computació quàntica, entre d'altres tecnologies.
També millorarà l'enteniment dels fenòmens com la superconductivitat i la superfluïdesa permetent noves materials amb propietats especials. A més s'ha descobert que hi ha un punt intermedi entre la superfluïdesa de les molècules i la convencional mitjançant la formació de parells de Cooper.
La manipulació d'àtoms ultrafreds permetrà entendre la diferència entre aquestes dues maneres de produir superfluids, la qual cosa segurament redundarà en el desenvolupament de la superconductivitat a alta temperatura.
De fet, avui dia hi ha superconductors que si bé no funcionen a temperatura ambient, sí que funcionen a temperatures de nitrogen líquid, que és relativament barat i fàcil d'obtenir.
Ampliant el concepte de condensats fermiònics més enllà dels gasos atòmics de fermions, poden trobar-se nombrosos exemples en què els fermions passen a ocupar col·lectivament nivells quàntics de baixa energia.
El primer com ja es va dir són els electrons en un superconductor. Es tracta de fermions que s'alineen en parells per ocupar els nivells quàntics més baixos a baixes temperatures, exhibint comportament col·lectiu tipus bosónico i reduint la viscositat i la resistència a zero.
Un altre exemple d'agrupació fermiónica en estats de baixa energies són els condensats de quarks. També l'àtom d'heli-3 és un fermió, però a baixes temperatures forma parells de Cooper de dos àtoms que es comporten com bosons i exhibeixen comportament de superfluid.
referències
- K Goral and K Burnett. Fermionic first for condensates. Recobrat de: physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensates. Recobrat de: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers and B Dume. Fermions condensate makes its debut. Recobrat de: physicsworld.com.
- Wikiwand. Condensat fermiònic. Recobrat de Wikiwand.com
- Wikiwand. Fermionic condensate. Recobrat de Wikiwand.com