Condensado fermiónico: definición, propiedades y descubrimiento (potasio-40)
Condensado fermiónico: definición, propiedades y descubrimiento del potasio‑40. Historia, física de superfluidos ultrafríos y el experimento pionero de Deborah Jin.
Un condensado fermiónico, o condensado de fermi, es un estado de la materia (fase superfluida) estrechamente emparentado con el condensado de Bose-Einstein. A grandes rasgos, en un condensado de Bose-Einstein muchas partículas idénticas ocupan la misma función de onda macroscopía; en el caso de un condensado fermiónico, el mecanismo para lograr orden macroscópico es distinto debido a la naturaleza cuántica de los fermiones.
Fermiones vs. bosones y el papel del apareamiento
La diferencia fundamental entre bosones y fermiones es su estadística cuántica: los bosones pueden compartir el mismo estado cuántico, mientras que los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que les impide ocupar simultáneamente la misma función de onda. Por eso no se forma un condensado directo de fermiones individuales de la misma manera que con bosones.
Sin embargo, si los fermiones se emparejan (formando parejas con espín combinado entero), esas parejas actúan efectivamente como bosones y pueden condensarse. Este apareamiento puede ser análogo a las parejas de Cooper en la teoría BCS de la superconductividad. En gases ultrafríos la formación de parejas puede ser inducida y controlada experimentalmente, permitiendo obtener superfluidez y otros efectos colectivos en sistemas de fermiones.
Propiedades principales
- Superfluidez: al condensarse las parejas de fermiones, el sistema puede mostrar flujo sin fricción y modos colectivos propios de estados superfluido.
- Degeneración cuántica: a temperaturas muy bajas la energía cinética se organiza según la distribución de Fermi; la física del sistema queda dominada por efectos cuánticos colectivos.
- Tunelabilidad de interacciones: en experimentos con átomos ultrafríos es posible ajustar la fuerza y signo de la interacción entre fermiones mediante resonancias de Feshbach (control magnético de la longitud de dispersión), permitiendo explorar desde un régimen BCS (pares débiles y extendidos) hasta el régimen BEC (pares fuertemente ligados que forman moléculas bosónicas).
- Excitaciones y vórtices cuánticos: como en otros superfluidos, se observan excitaciones colectivas y, bajo rotación, vórtices con circulación cuantizada.
Descubrimiento experimental (potasio-40)
Este estado de la materia fue realizado en diciembre de 2003 por Deborah Jin y su grupo. Jin trabajaba para el Instituto Nacional de Normas y Tecnología de la Universidad de Colorado. Su equipo creó este estado de la materia enfriando una nube de átomos de potasio-40 a menos de una millonésima parte del cero absoluto (-273,15 °C, que es el límite hipotético más bajo de las temperaturas físicas). Esta es la misma temperatura necesaria para enfriar la materia hasta un condensado de Bose-Einstein. El proceso de enfriar un gas hasta convertirlo en un condensado se llama condensación.
En la experiencia se combinaron técnicas de enfriamiento láser, trampas magnéticas y ópticas y enfriamiento por evaporación para alcanzar degeneración cuántica. Además, el equipo aprovechó la capacidad de sintonizar las interacciones entre átomos (mediante resonancias de Feshbach) y preparó los átomos en dos estados internos distintos para favorecer el apareamiento. La evidencia experimental del condensado fermiónico se obtuvo observando cambios en la distribución de momento tras la expansión del gas y señales características de pares condensados.
Importancia y aplicaciones
Los condensados fermiónicos permiten estudiar de forma controlada fenómenos de many-body strongly correlated fermionic systems que son relevantes para la física de la materia condensada, la superconductividad, los núcleos atómicos y la materia exótica en estrellas de neutrones. Además sirven como laboratorios limpísimos para explorar la cruce BCS-BEC, probar teorías de interacción fuerte y desarrollar técnicas de espectroscopía y manipulación cuántica con átomos ultrafríos.
Resumen: un condensado fermiónico es un estado superfluido de pares de fermiones que, al comportarse como bosones, pueden condensarse. Fue observado por primera vez en 2003 con átomos de potasio-40, utilizando técnicas de enfriamiento extremo y control preciso de las interacciones entre átomos.
Deborah Jin
Albert Einstein, uno de los dos hombres que formularon una hipótesis sobre los condensados de Bose-Einstein en la década de 1920.
Satyendra Nath Bose, el hombre que colaboró con Einstein para idear los condensados de Bose-Einstein. También es famoso por su estadística de Bose-Einstein.
Diferencia entre fermiones y bosones
Los bosones y los fermiones son partículas subatómicas (trozos de materia más pequeños que un átomo). La diferencia entre un bosón y un fermión es el número de electrones, neutrones y/o protones del átomo. Un átomo está compuesto por bosones si tiene un número par de electrones. Un átomo está compuesto por fermiones si tiene un número impar de electrones, neutrones y protones. Un ejemplo de bosón sería un gluón. Un ejemplo de fermión sería el potasio-40, que es lo que Deborah Jin utilizó como nube de gas. Los bosones pueden formar grupos y se atraen entre sí, mientras que los fermiones no forman grupos. Los fermiones suelen encontrarse en cadenas rectas porque se repelen entre sí. Esto se debe a que los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que establece que no pueden reunirse en el mismo estado cuántico.
Se trata del modelo estándar de las partículas elementales, que suele denominarse simplemente Modelo Estándar.
Similitud con el condensado de Bose-Einstein
Al igual que los condensados de Bose-Einstein, los condensados de fermi se fusionan (crecen juntos en una entidad) con las partículas que los componen. Los condensados de Bose-Einstein y los condensados de fermi son también estados de la materia creados por el hombre. Las partículas que componen estos estados de la materia tienen que ser superenfriadas artificialmente, para tener las propiedades que tienen. Sin embargo, los condensados de fermi han alcanzado temperaturas aún más bajas que los condensados de Bose-Einstein. Además, ambos estados de la materia no tienen viscosidad, lo que significa que pueden fluir sin detenerse.
Helio-3 y fermiones
Crear un condensado de fermiones es muy difícil. Los fermiones obedecen el principio de exclusión y no se atraen entre sí. Se repelen entre sí. Jin y su equipo de investigación encontraron una forma de fusionarlos. Ajustaron y aplicaron un campo magnético sobre los fermiones antisociales, de modo que empezaron a perder sus propiedades. Los fermiones seguían manteniendo parte de su carácter, pero se comportaban un poco como bosones. De este modo, pudieron hacer que pares de fermiones separados se fusionaran entre sí una y otra vez. La señora Jin sospecha que este proceso de emparejamiento es el mismo en el Helio-3, también un superfluido. Basándose en esta información, pueden hipotetizar (hacer una conjetura) que los condensados fermiónicos fluirán también sin ninguna viscosidad.
Superconductividad y condensados fermiónicos
Otro fenómeno relacionado es la superconductividad. En la superconductividad, los electrones emparejados pueden fluir con 0 viscosidad. La superconductividad suscita bastante interés, ya que puede ser una fuente de electricidad más barata y limpia. También podría utilizarse para alimentar trenes levitantes y hover-cars.
Pero esto sólo puede ocurrir si los científicos consiguen crear o descubrir materiales que sean superconductores a temperatura ambiente. De hecho, se concederá un Premio Nobel a quien consiga fabricar un superconductor a temperatura ambiente. Ahora mismo, el problema es que los científicos tienen que trabajar con superconductores a unos -135 °C. Esto implica el uso de nitrógeno líquido y otros métodos para conseguir temperaturas extremadamente bajas. Se trata, por supuesto, de un trabajo tedioso, por lo que los científicos prefieren utilizar superconductores a temperatura ambiente. El equipo de la Sra. Jin cree que sustituyendo los electrones emparejados por los fermiones emparejados se conseguiría un superconductor a temperatura ambiente.
Superconductividad. Se trata del efecto Meissner.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un condensado fermiónico?
R: Un condensado fermiónico es un estado de la materia similar a un condensado de Bose-Einstein, pero formado por fermiones en lugar de bosones.
P: ¿En qué se diferencian los condensados fermiónicos de los condensados de Bose-Einstein?
R: Los condensados de fermi son antisociales y no se atraen entre sí, mientras que los condensados de Bose-Einstein son sociales y se atraen en grupos o aglomeraciones.
P: ¿Los condensados de Fermi pueden producirse de forma natural?
R: No, los condensados de fermi tienen que crearse artificialmente mediante el proceso de condensación, el mismo que se utiliza para crear los condensados de Bose-Einstein.
P: ¿Quién creó el primer condensado fermi?
R: Deborah Jin y su equipo del Instituto Nacional de Normas y Tecnología de la Universidad de Colorado crearon el primer condensado fermi en diciembre de 2003.
P: ¿A qué temperatura se creó el primer condensado de fermi?
R: El primer condensado de fermi se creó enfriando una nube de átomos de potasio-40 a menos de una millonésima de °C por encima del cero absoluto (-273,15 °C), la misma temperatura necesaria para crear un condensado de Bose-Einstein.
P: ¿Cómo se denomina el proceso de enfriamiento de un gas en un condensado?
R: El proceso de enfriamiento de un gas hasta convertirlo en un condensado se denomina condensación.
P: ¿Los superfluidos también son condensados de Bose-Einstein?
R: Sí, los superfluidos también son condensados de Bose-Einstein, pero formados por bosones en lugar de fermiones.
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