Propriedades, aplicações e exemplos de condensado fermiônico

A Fermi condensado É, no sentido mais rigoroso, um gás muito diluído formado por átomos fermiônicos que sofreram uma temperatura próxima a zero absoluto. Dessa forma, e sob condições adequadas, eles vão para uma fase supérflua, formando um novo estado de agregação da matéria.

O primeiro condensado fermiônico foi obtido em 16 de dezembro de 2003 nos Estados Unidos, graças a uma equipe de físicos de várias universidades e instituições. O experimento usou cerca de 500 mil átomos de potássio-40 em um campo magnético variável e a uma temperatura de 5 x 10^-8 Kelvin.

Ímã de supercondutor. Fonte: Pixabay

Esta temperatura é considerada próxima ao zero absoluto e é muito menor que a temperatura do espaço intergaláctico, que é aproximadamente 3 Kelvin. A temperatura absoluta zero é entendida como 0 Kelvin é alcançado equivalente a -273,15 graus Celsius. Então 3 Kelvin corresponde a -270,15 graus Celsius.

Alguns cientistas consideram que o condensado fermiônico é o status sexual da matéria. Os quatro primeiros estados são mais familiares para todos: sólido, líquido, gasoso e plasma.

Anteriormente, um quinto estado de matéria havia sido obtido quando um condensado de átomos bosônicos era alcançado. Este primeiro condensado foi criado em 1995 a partir de um gás muito diluído de rubidio-87 resfriado a 17 x 10^-8 Kelvin.

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A importância de baixas temperaturas

Os átomos se comportam de maneira muito diferente das temperaturas próximas ao zero absoluto, dependendo do valor de seu momento angular intrínseco ou rotação.

Isso divide partículas e átomos em duas categorias:

- Os bósons, que são os que têm uma rotação inteira (1, 2, 3, ...).

- Fermions, que são aqueles que têm um spin semi -frigo (1/2, 3/2, 5/2, ...).

Os bósons não têm restrição, no sentido de que dois ou mais deles podem ocupar o mesmo estado quântico.

Por outro lado, os férmions cumprem o princípio de exclusão de Pauli: dois ou mais férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico, ou em outras palavras: só pode haver um férmio por estado quântico.

Essa diferença fundamental entre bósons e férmions faz condensado fermiônico.

Para que os férmions ocupem todos os níveis quânticos mais baixos, é necessário que eles se alinhem anteriormente em pares, para formar as chamadas "Pares de Cooper"Eles têm comportamento bosônico.

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História, fundações e propriedades

Em 1911, quando Heike Kamerlingh Onnes estudou a resistência do mercúrio submetido a temperaturas muito baixas usando o hélio líquido como refrigerante, ele descobriu que, ao atingir a temperatura de 4,2 K (-268,9 Celsius), a resistência caiu abruptamente a zero.

O primeiro supercondutor foi encontrado de uma maneira não planejada.

Sem saber, h.K. Onnes conseguiu colocar os elétrons de condução todos juntos no nível quântico mais baixo, fato que, em princípio, não é possível porque os elétrons são férmions.

Os elétrons foram alcançados para a fase supérflua dentro do metal, mas, como têm carga elétrica, causam um fluxo de carga elétrica com viscosidade zero e, consequentemente, zero resistência elétrica.

O mesmo h.K. Onnes em Leiden, Holland descobriu que o hélio que ele usou como refrigerante foi para o estado supérfluo quando a temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius) foi alcançada.

Sem saber, h.K. Onnes conseguiu pela primeira vez juntos em seu nível quântico mais baixo, com os átomos de hélio com os quais ele esfriou em Mercury. A propósito, ele também percebeu que, quando a temperatura estava abaixo de uma certa temperatura crítica, o hélio passou para a fase supérflua (viscosidade zero).

Teoria da supercondutividade

Helio-4 é um bóson e se comporta como tal, por isso foi possível passar da fase líquida normal para a fase supérflua.

No entanto, nenhum deles é considerado um condensado fermiônico ou bosônico. No caso da supercondutividade, férmions como elétrons estavam dentro da rede cristalina de mercúrio; E no caso do hélio supérfluo, ele passou da fase líquida para a fase supérflua.

A explicação teórica da supercondutividade veio mais tarde. É a teoria BCS bem conhecida desenvolvida em 1957.

A teoria afirma que os elétrons interagem com os pares formadores de rede cristalina que, em vez de repeti -los. Dessa maneira.

Como produzir um condensado de férmions?

Um condensado legítimo de férmions ou bósons deve começar a partir de um gás muito diluído composto por átomos fermiônicos ou bosônicos, que esfria de tal maneira que suas partículas passam para os estados quânticos mais baixos.

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Como isso é muito mais complicado do que obter um condensado de bósons, é apenas recentemente quando esses tipos de condensado foram criados.

Fermion são partículas ou conglomerados de partículas com spin semi -alero total. O elétron, o próton e o nêutron são todos partículas com spin ½.

Helio-3 Core (dois prótons e um nêutrons) se comporta como um férmio. O átomo neutro do potássio-40 tem 19 prótons + 21 nêutrons + 19 elétrons, que somam o número ímpar 59, por isso se comporta como um férmio.

Partículas mediantes

As partículas mediadoras das interações são bósons. Entre essas partículas, podemos citar o seguinte:

- Fótons (mediadores de eletromagnetismo).

- Gluon (mediadores de interação nuclear forte).

- Bósons Z e W (fracos mediadores de interação nuclear).

- Gravitón (mediadores da interação gravitacional).

Bósons compostos

Entre os bósons compostos estão os seguintes:

- Núcleo de deutério (1 próton e 1 nêutrons).

- Helio-4 átomo (2 prótons + 2 nêutrons + 2 elétrons).

Desde que a soma de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro seja em um número inteiro, o comportamento será Bosón.

Como um condensado fermiônico foi obtido

Um ano antes de alcançar o condensado de férmions, a formação de moléculas com átomos fermiônicos que formaram pares fortemente acoplados que se comportaram como bósons haviam sido alcançados. No entanto, isso não é considerado um condensado fermiônico puro, mas se assemelha a um condensado bosônico.

Mas o que foi alcançado em 16 de dezembro de 2003 pela equipe composta por Deborah Jin, Markus Greiner e Cindy Regal do Laboratório Jila em Boulder, Colorado, foi a formação de um condensado de pares de átomos fermiônicos individuais em um gás em um gás.

Nesse caso, o par de átomos não forma uma molécula, mas eles se movem juntos de uma maneira correlacionada. Assim, juntos o par de átomos fermiônicos atua como um bóson, portanto, sua condensação foi alcançada.

Para alcançar essa condensação, a equipe Jila começou a partir de um gás com átomos de potássio-40 (que são férmions), que foi confinado em uma armadilha óptica a 300 nanokelvin.

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Então o gás foi submetido a um campo magnético oscilante para alterar a interação repulsiva entre átomos e transformá -lo em uma interação atraente, através de um fenômeno conhecido como "ressonância de Fesbach".

Ajustando os parâmetros do campo magnético corretamente, é alcançado que os átomos da forma de Cooper em vez de moléculas em vez de moléculas. Então continua a esfriar para alcançar o condensado fermiônico.

Aplicações e exemplos

A tecnologia desenvolvida para alcançar o condensado fermiônico, no qual os átomos são praticamente manipulados quase individualmente, permitirão o desenvolvimento da computação quântica, entre outras tecnologias.

Também melhorará o entendimento de fenômenos, como supercondutividade e supérfluo, permitindo novos materiais com propriedades especiais. Também foi descoberto que existe um ponto intermediário entre a supérflua das moléculas e a convencional através da formação dos pares de Cooper.

A manipulação dos átomos de Ultrafrios nos permitirá entender a diferença entre essas duas maneiras de produzir supérfluas, o que certamente resultará no desenvolvimento de supercondutividade de alta temperatura.

De fato, hoje existem supercondutores que, embora não funcionem à temperatura ambiente, eles trabalham a temperaturas de nitrogênio líquido, o que é relativamente barato e fácil de obter.

Expandindo o conceito de condensado fermiônico além dos gases atômicos de férmions, vários exemplos podem ser encontrados nos quais os férmions ocupam coletivamente os níveis quânticos de baixa energia.

O primeiro como já dito são elétrons em um supercondutor. Estes são férmions alinhados em pares para ocupar os níveis quânticos mais baixos em baixas temperaturas, exibindo comportamento bosônico coletivo e reduzindo a viscosidade e resistência a zero.

Outro exemplo de um grupo fermiônico em estados de baixa energia é o condensado de Quarks. Além disso, o átomo Helio-3 é um férmion, mas a baixas temperaturas formas de cooper de dois átomos que se comportam como bósons e exibem comportamento supérfluo.

Referências

1. K Goral e K Burnett. Fermiônico primeiro para condensados. Recuperado de: PhysicsWorld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensados. Recuperado de: usuários.Física.Harvard.Edu
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4. Wikiwand. Condensado fermiônico. Wikiwand se recuperou.com
5. Wikiwand. Condensado fermiônico. Wikiwand se recuperou.com