Condensado fermiônico: propriedades, aplicações e exemplos

Um condensado de Fermi é, no sentido mais estrito, um gás muito diluído formado por átomos fermiônicos que foram submetidos a uma temperatura próxima ao zero absoluto. Dessa maneira, e sob condições apropriadas, passam para uma fase superfluida, formando um novo estado de agregação de 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 utilizou cerca de 500.000 átomos de potássio-40 submetidos a um campo magnético variável e a uma temperatura de 5 x 10 -8 Kelvin.

Condensado fermiônico: propriedades, aplicações e exemplos 1

Ímã supercondutor Fonte: pixabay

Essa temperatura é considerada próxima do zero absoluto e é muito mais baixa que a temperatura do espaço intergalático, que é aproximadamente 3 Kelvin. Entende-se pelo zero absoluto da temperatura 0 Kelvin alcançado, o que equivale a -273,15 graus Celsius. Então 3 Kelvin corresponde a -270,15 graus Celsius.

Alguns cientistas acreditam que o condensado fermiônico é o estado da matéria sexual. Os quatro primeiros estados são mais familiares a todos: sólido, líquido, gás e plasma.

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

A importância de baixas temperaturas

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

Isso divide partículas e átomos em duas categorias:

– Bósons, que são os que têm rotação completa (1, 2, 3, …).

– Fermions, que são aqueles que têm semientero de spin (1/2, 3/2, 5/2, …).

Os bósons não têm restrições, 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 férmion por estado quântico.

Condensado fermiônico: propriedades, aplicações e exemplos 2

Essa diferença fundamental entre bósons e férmions torna mais difícil obter condensados ​​fermiônicos do que os bosônicos.

Para que os férmions ocupem todos os níveis quânticos mais baixos, é necessário que eles estejam previamente alinhados em pares, para formar os chamados ” pares Cooper ” que têm comportamento bosônico.

História, fundamentos e propriedades

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

O primeiro supercondutor havia sido encontrado de maneira imprevista.

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

Os elétrons foram passados ​​para a fase superfluida dentro do metal, mas, como possuem carga elétrica, causam um fluxo de carga elétrica com viscosidade zero e, consequentemente, resistência elétrica zero.

O próprio HK Onnes, em Leiden, na Holanda, descobriu que o hélio que ele usava como refrigerante se tornava superfluido quando a temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius) foi atingida.

Inconscientemente, HK Onnes conseguiu, pela primeira vez, colocar os átomos de hélio com os quais ele resfriou o mercúrio em seu nível quântico mais baixo. De passagem, ele também percebeu que quando a temperatura estava abaixo de uma certa temperatura crítica, o hélio passava para a fase superfluida (viscosidade zero).

A teoria da supercondutividade

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

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

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

A teoria afirma que os elétrons interagem com a rede cristalina formando pares que, em vez de repelir, se atraem formando os “pares Cooper” que agem como bósons. Dessa maneira, os elétrons como um todo podem ocupar os estados quânticos de energia mais baixa, desde que a temperatura seja baixa o suficiente.

Como produzir um condensado de férmions?

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

Como isso é muito mais complicado do que obter um condensado de bósons, somente recentemente foi possível criar esses tipos de condensados.

Os férmions são partículas ou conglomerados de partículas com rotação total da rotação. O elétron, o próton e o nêutron são partículas com ½ giro.

O núcleo de hélio-3 (dois prótons e um nêutron) se comporta como um férmion. O átomo neutro de potássio-40 possui 19 prótons + 21 nêutrons + 19 elétrons, que somam o número ímpar 59, por isso se comporta como férmion.

Condensado fermiônico: propriedades, aplicações e exemplos 3

Mediação de partículas

Partículas mediadoras de interação são bósons. Entre essas partículas, podemos citar o seguinte:

– Fótons (mediadores do eletromagnetismo).

– Gluon (mediadores de forte interação nuclear).

– Bósons Z e W (mediadores de fraca interação nuclear).

– Graviton (mediadores da interação gravitacional).

Bósons compostos

Entre os bósons compostos estão os seguintes:

– Núcleo de deutério (1 próton e 1 nêutron).

– átomo de hélio-4 (2 prótons + 2 nêutrons + 2 elétrons).

Sempre que a soma de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro resultar em um número inteiro, o comportamento será bóson.

Como um condensado fermiônico foi obtido

Um ano antes de atingir o condensado dos férmions, foi alcançada a formação de moléculas com átomos fermiônicos que formavam pares fortemente acoplados que se comportavam como bósons. No entanto, isso não é considerado um condensado fermiônico puro, mas sim 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.

Nesse caso, o par de átomos não forma uma molécula, mas, ao contrário, se move em forma correlata. Assim, juntos, o par de átomos fermiônicos age como um bóson; portanto, sua condensação foi alcançada.

Para alcançar essa condensação, a equipe da JILA partiu de um gás com 40 átomos de potássio (que são férmions), confinado em uma armadilha óptica de 300 nanokelvin.

O gás foi então submetido a um campo magnético oscilante para alterar a interação repulsiva entre átomos e torná-lo uma interação atraente, usando um fenômeno conhecido como “ressonância de Fesbach”.

Ajustar adequadamente os parâmetros do campo magnético permite que os átomos formem pares de Cooper em vez de moléculas. Em seguida, ele continua a esfriar para obter o condensado fermiônico.

Aplicações e exemplos

A tecnologia desenvolvida para obter condensados ​​fermiônicos, nos quais os átomos são praticamente manipulados quase individualmente, permitirá o desenvolvimento da computação quântica, entre outras tecnologias.

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

A manipulação de átomos ultracongelados nos permitirá entender a diferença entre essas duas formas de produzir superfluidos, o que certamente resultará no desenvolvimento de supercondutividade a alta temperatura.

De fato, hoje existem supercondutores que, embora não funcionem à temperatura ambiente, funcionam à temperatura de nitrogênio líquido, que é relativamente barato e fácil de obter.

Estendendo o conceito de condensados ​​fermiônicos além dos gases atômicos dos férmions, numerosos exemplos podem ser encontrados nos quais os férmions ocupam coletivamente níveis quânticos de baixa energia.

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

Outro exemplo de agrupamento fermiônico em estados de baixa energia são os condensados ​​de quarks. O átomo de hélio-3 também é um férmion, mas a baixas temperaturas forma pares Cooper de dois átomos que se comportam como bósons e exibem comportamento superfluido.

Referências

  1. K Goral e K Burnett. Fermionic primeiro para condensados. Recuperado de: physicsworld.com
  2. M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensados. Recuperado de: users.physics.harvard.edu
  3. P Rodgers e B Dumé. Fermions condensado faz sua estréia. Recuperado de: physicsworld.com.
  4. Wikiwand Condensado Fermionic Recuperado de Wikiwand.com
  5. Wikiwand Condensação fermiônica. Recuperado de Wikiwand.com

Deixe um comentário

Este site usa cookies para lhe proporcionar a melhor experiência de usuário. política de cookies, clique no link para obter mais informações.

ACEPTAR
Aviso de cookies