Condensado fermiónico: ¿Qué es?, características, aplicaciones y más.

Un condensado fermiónico es un conjunto de fermiones idénticos que tiene una fase de superfluidez a baja temperatura. Este es el equivalente para los fermiones de condensados ​​de Bose-Einstein para los bosones.

condensado fermionico

¿Qué es Condensado Fermiónico?

Los primeros condensados ​​moleculares de Bose-Einstein se produjeron en 1995, allanando el camino para el estudio de los condensados ​​cuánticos. En 1999, el equipo de Deborah Jin enfrió por primera vez un gas fermión en el régimen de degeneración cuántica, pero la interacción entre las partículas no fue lo suficientemente fuerte como para mostrar una transición de fase. El primer condensado fermiónico fue encontrado en 2003, por el mismo equipo, utilizando campos magnéticos para mejorar las interacciones.

Características

  • El comportamiento de un gas de fermiones de género no se describe por la física clásica, pero por la física cuántica.
  • Debido al principio de exclusión de Pauli, fermiones idénticos, caracterizados por su espín de medio entero, como electrones, neutrones, protones, neutrinos, quarks, etc.
  • No puede ocupar el mismo estado cuántico. Como resultado, por debajo de una temperatura suficientemente baja, las predicciones de la física clásica (distribución estadística de Maxwell-Boltzmann) pierden su significado, ya que predicen que los estados de menor energía están ocupados por varias partículas. (Ver Articulo: Astrofisica)

condensado fermiónico

Un gas ingresa a este régimen puramente cuántico cuando su temperatura es suficientemente baja y la densidad numérica es amplia. Por definición, la temperatura por debajo de la cual la física clásica ya no es relevante se llama temperatura de Fermi. El modelo ideal de gas fermión es un sistema termodinámico compuesto de partículas fermiónicas que no interactúan. Estas partículas obedecen a la estadística de Fermi-Dirac

La teoría cuántica predice que a temperatura cero, si el gas contiene N partículas, los N estados de menor energía están ocupados por exactamente un fermión, los otros están vacíos. La energía de umbral a partir de la cual la ocupación de los estados se convierte en cero es, por definición, la energía Fermi E F.

La temperatura de Fermi T F es simplemente la energía de Fermi dividida por la constante de Boltzmann. Un gas ideal de fermiones no puede sufrir condensación u otro cambio de fase. Las interacciones son por lo tanto importantes para obtener un condensado fermiónico. (Ver Articulo: Astronomia y Astrofisica)

condensado fermiónico

Aplicaciones

Las interacciones entre fermiones idénticos en el mismo estado interno se inhiben fuertemente a baja temperatura. Sin embargo, es posible preparar una mezcla ultra fría de fermiones idénticos en dos estados de centrifugado diferentes; entonces se permiten las colisiones entre diferentes átomos de espín. La mayoría de los estudios hasta la fecha son para dos especies de espines en proporciones iguales.

Además, el fenómeno de resonancia de Feshbach se puede explotar para variar la intensidad de las interacciones sumergiendo el gas en un campo magnético ajustable. Dependiendo del valor de las interacciones, los átomos pueden emparejarse en moléculas que luego forman un condensado de Bose-Einstein, emparejarse con pares de Cooper para formar un estado BCS, y en el caso intermedio, forme un estado complejo de N- cuerpo que sea resistente a los estudios teóricos y puede ser de interés para el estudio de la superconductividad a alta temperatura crítica.

Condensado de Moléculas de Bose-Einstein

Imágenes de absorción después de la expansión libre de un conjunto de fermiones que interactúan fuertemente: a temperaturas más bajas, se observa un pico característico de un condensado de Bose-Einstein.

En 2003, el equipo de Deborah S. Jin, el Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA) del NIST y la Universidad de Colorado en Boulder, lograron enfriar un gas fermión (40 K) por debajo de la temperatura. De la degeneración en el régimen de fuerte interacción.

Los átomos se agrupan en pares, es decir, forman «moléculas». Estos últimos tienen un comportamiento bosónico y, por lo tanto, pueden formar un condensado de Bose-Einstein (BEC), que comprende aproximadamente 500,000 moléculas a una temperatura de 50 nK. (Ver Articulo: Albert Einstein)

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Fase de condensado Bardeen-Cooper-Schrieffer

Cuando los átomos de los estados internos se atraen débilmente, se emparejan en pares de Cooper , un objeto muy diferente de una molécula. Cada par consta de dos átomos de pulso opuestos, y se reubica en el espacio de posición. El condensado en su conjunto forma un estado propuesto teóricamente por John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer, también conocido como teoría de BCS para explicar la superconductividad de Ciertos metales a bajas temperaturas.

Una banda prohibida está abierta en el espectro de posibles excitaciones, es decir, no se puede crear una excitación en el sistema cuya energía sea inferior a un valor estrictamente positivo. Esta última banda está conectada directamente con el personaje sobre el condensado.

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