CONDENSATO FERMIONICO: PROPRIETÀ, APPLICAZIONI ED ESEMPI - FISICO - 2024

Un condensato di Fermi è, in senso stretto, un gas molto diluito costituito da atomi fermionici che sono stati sottoposti ad una temperatura prossima allo zero assoluto. In questo modo, e in condizioni adeguate, passano in una fase superfluida, formando un nuovo stato di aggregazione della materia.

Il primo condensato fermionico è stato ottenuto il 16 dicembre 2003 negli Stati Uniti, grazie a un team di fisici di varie università e istituzioni. L'esperimento ha utilizzato circa 500mila atomi di potassio-40 soggetti a un campo magnetico variabile e una temperatura di 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Magnete superconduttore. Fonte: pixabay

Quella temperatura è considerata vicina allo zero assoluto ed è notevolmente inferiore alla temperatura dello spazio intergalattico, che è di circa 3 Kelvin. Lo zero assoluto della temperatura è inteso come 0 Kelvin, che è equivalente a -273,15 gradi Celsius. Quindi 3 Kelvin corrispondono a -270,15 gradi Celsius.

Alcuni scienziati considerano il condensato fermionico lo stato sessuale della materia. I primi quattro stati sono più familiari a tutti: solido, liquido, gas e plasma.

In precedenza, un quinto stato della materia era stato ottenuto quando si raggiungeva un condensato di atomi bosonici. Questa prima condensa è stata creata nel 1995 da un gas rubidio-87 molto diluito raffreddato a 17 x 10 ^-8 Kelvin.

L'importanza delle basse temperature

Gli atomi si comportano in modo molto diverso a temperature vicine allo zero assoluto, a seconda del valore del loro momento angolare intrinseco, o spin.

Questo divide particelle e atomi in due categorie:

- I bosoni, che sono quelli con spin intero (1, 2, 3,…).

- Fermioni, che sono quelli con spin semi-intero (1/2, 3/2, 5/2,…).

I bosoni non hanno alcuna restrizione, nel senso che due o più di essi possono occupare lo stesso stato quantistico.

D'altra parte, i fermioni soddisfano il principio di esclusione di Pauli: due o più fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico, o in altre parole: può esserci solo un fermione per stato quantistico.

Questa differenza fondamentale tra bosoni e fermioni rende i condensati fermionici più difficili da ottenere rispetto a quelli bosonici.

Affinché i fermioni occupino tutti i livelli quantici inferiori, è necessario che si allineino preventivamente a coppie, per formare le cosiddette "coppie di Cooper" che hanno comportamento bosonico.

Storia, fondamenti e proprietà

Nel 1911, quando Heike Kamerlingh Onnes stava studiando la resistenza del mercurio sottoposto a temperature molto basse usando l'elio liquido come refrigerante, scoprì che al raggiungimento della temperatura di 4,2 K (-268,9 Celsius) la resistenza scese bruscamente a zero. .

Il primo superconduttore era stato trovato in modo inaspettato.

Senza saperlo, HK Onnes era riuscito a mettere tutti insieme gli elettroni di conduzione al livello quantico più basso, un fatto che in linea di principio non è possibile perché gli elettroni sono fermioni.

Si è ottenuto che gli elettroni passassero alla fase superfluida all'interno del metallo, ma poiché hanno una carica elettrica, provocano un flusso di carica elettrica con viscosità nulla e di conseguenza resistenza elettrica nulla.

Lo stesso HK Onnes a Leida, nei Paesi Bassi, aveva scoperto che l'elio usato come refrigerante diventava superfluido quando veniva raggiunta la temperatura di 2,2 K (-270,9 gradi Celsius).

Inconsapevolmente, HK Onnes era riuscito per la prima volta a riunire gli atomi di elio con cui raffreddava il mercurio al loro livello quantico più basso. Di passaggio, si rese anche conto che quando la temperatura era al di sotto di una certa temperatura critica, l'elio passava nella fase superfluida (viscosità zero).

La teoria della superconduttività

L'elio-4 è un bosone e si comporta come tale, per questo è stato possibile passare dalla normale fase liquida alla fase superfluida.

Tuttavia nessuno di questi è considerato un condensato fermionico o bosonico. Nel caso della superconduttività, i fermioni, come gli elettroni, erano all'interno del reticolo cristallino del mercurio; e nel caso dell'elio superfluido, era passato dalla fase liquida alla fase superfluida.

La spiegazione teorica della superconduttività è arrivata più tardi. È la nota teoria BCS sviluppata nel 1957.

La teoria afferma che gli elettroni interagiscono con il reticolo cristallino formando coppie che invece di respingersi si attraggono a vicenda formando "coppie di Cooper" che agiscono come bosoni. In questo modo, gli elettroni nel loro insieme possono occupare gli stati quantici di energia più bassa, purché la temperatura sia sufficientemente bassa.

Come produrre un condensato di fermioni?

Un fermione legittimo o condensato di bosone deve partire da un gas molto diluito costituito da atomi fermionici o bosonici, che viene raffreddato in modo tale che le sue particelle vadano tutte negli stati quantici più bassi.

Poiché questo è molto più complicato che ottenere un condensato di bosoni, è solo di recente che questi tipi di condensati sono stati creati.

I fermioni sono particelle o conglomerati di particelle con metà spin intero. L'elettrone, il protone e il neutrone sono tutte particelle di ½ spin.

Il nucleo dell'elio-3 (due protoni e un neutrone) si comporta come un fermione. L'atomo neutro di potassio-40 ha 19 protoni + 21 neutroni + 19 elettroni, che si sommano al numero dispari 59, quindi si comporta come un fermione.

Particelle mediatore

Le particelle mediatrici delle interazioni sono i bosoni. Tra queste particelle possiamo nominare quanto segue:

- Fotoni (mediatori dell'elettromagnetismo).

- Gluon (mediatori di una forte interazione nucleare).

- Bosoni Z e W (mediatori dell'interazione nucleare debole).

- Gravitoni (mediatori dell'interazione gravitazionale).

Bosoni composti

Tra i bosoni composti ci sono i seguenti:

- Nucleo di deuterio (1 protone e 1 neutrone).

- Atomo di elio-4 (2 protoni + 2 neutroni + 2 elettroni).

Ogni volta che la somma di protoni, neutroni ed elettroni di un atomo neutro risulta in un numero intero, il comportamento sarà bosone.

Come è stato ottenuto un condensato fermionico

Un anno prima di raggiungere il condensato del fermione, era stata raggiunta la formazione di molecole con atomi fermionici che formavano coppie strettamente accoppiate che si comportavano come bosoni. Tuttavia questo non è considerato un condensato fermionico puro, ma piuttosto assomiglia a un condensato bosonico.

Ma ciò che è stato realizzato il 16 dicembre 2003 dal team di Deborah Jin, Markus Greiner e Cindy Regal del laboratorio JILA di Boulder, in Colorado, è stata la formazione di un condensato di coppie di singoli atomi fermionici in un gas.

In questo caso la coppia di atomi non forma una molecola, ma si muovono insieme in modo correlato. Quindi, nel suo insieme, la coppia di atomi fermionici agisce come un bosone, quindi la loro condensazione è stata raggiunta.

Per ottenere questa condensazione, il team JILA è partito da un gas con atomi di potassio-40 (che sono fermioni), che era confinato in una trappola ottica a 300 nanokelvin.

Il gas è stato quindi sottoposto ad un campo magnetico oscillante per alterare l'interazione repulsiva tra gli atomi e trasformarla in uno attraente, attraverso un fenomeno noto come "risonanza di Fesbach".

La regolazione appropriata dei parametri del campo magnetico consente agli atomi di formare coppie di Cooper invece di molecole. Quindi continua il raffreddamento per ottenere la condensa fermionica.

Applicazioni ed esempi

La tecnologia sviluppata per ottenere condensati fermionici, in cui gli atomi sono praticamente manipolati quasi individualmente, consentirà lo sviluppo del calcolo quantistico, tra le altre tecnologie.

Migliorerà anche la comprensione di fenomeni come la superconduttività e la superfluidità, consentendo nuovi materiali con proprietà speciali. Inoltre, è stato scoperto che esiste un punto intermedio tra la superfluidità delle molecole e quella convenzionale attraverso la formazione di coppie di Cooper.

La manipolazione di atomi ultrafreddi ci consentirà di comprendere la differenza tra questi due modi di produrre superfluidi, che porterà sicuramente allo sviluppo di superconduttività ad alta temperatura.

Infatti oggi ci sono superconduttori che sebbene non funzionino a temperatura ambiente, funzionano a temperature di azoto liquido, che è relativamente economico e facile da ottenere.

Estendendo il concetto di condensati fermionici oltre i gas fermionici atomici, si possono trovare numerosi esempi in cui i fermioni occupano collettivamente livelli quantici a bassa energia.

I primi come già detto sono gli elettroni in un superconduttore. Questi sono fermioni che si allineano a coppie per occupare i livelli quantici più bassi a basse temperature, esibendo un comportamento simile ai bosoni e riducendo la viscosità e la resistenza a zero.

Un altro esempio di raggruppamento fermionico negli stati a bassa energia sono i condensati di quark. Anche l'atomo di elio-3 è un fermione, ma a basse temperature forma coppie di Cooper di due atomi che si comportano come bosoni e mostrano un comportamento superfluido.

Riferimenti

1. K Goral e K Burnett. Fermionico prima per i condensati. Estratto da: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Condensati di Fermi. Estratto da: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers e B Dumé. Debutta il condensato di fermioni. Estratto da: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Condensa fermionica. Recuperato da Wikiwand.com
5. Wikiwand. Condensa fermionica. Recuperato da Wikiwand.com