Condensado fermiónico: propiedades, aplicaciones y ejemplos
Un condensado de Fermi es, en el sentido más estricto, un gas muy diluido formado por átomos fermiónicos que se han sometido a una temperatura cercana al cero absoluto. De esta forma, y bajo condiciones adecuadas, pasan a una fase superfluida, formando un nuevo estado de agregación de la materia.
El primer condensado fermiónico se obtuvo el 16 de diciembre de 2003 en los Estados Unidos, gracias a un equipo de físicos de varias universidades e instituciones. El experimento usó unos 500 mil átomos de potasio-40 sometidos a un campo magnético variable y a una temperatura de 5 x 10-8 Kelvin.
Esa temperatura se considera cerca del cero absoluto y es muchísimo menor que la temperatura del espacio intergaláctico, que es aproximadamente 3 Kelvin. Se entiende por cero absoluto de temperatura se alcanzan 0 Kelvin que equivale a -273,15 grados Celsius. Entonces 3 Kelvin corresponden a -270,15 grados Celsius.
Algunos científicos consideran que el condensado fermiónico es el sexo estado de la materia. Los primeros cuatro estados son más familiares para todos: sólido, líquido, gas y plasma.
Previamente se había obtenido un quinto estado de la materia cuando se logró un condensado de átomos bosónicos. Este primer condensado se creó en el año 1995 a partir de un gas muy diluido de rubidio-87 enfriado hasta 17 x 10-8 Kelvin.
Índice del artículo
- 1 La importancia de las bajas temperaturas
- 2 Historia, fundamentos y propiedades
- 3 ¿Cómo producir un condensado de fermiones?
- 4 Aplicaciones y ejemplos
- 5 Referencias
Los átomos se comportan de forma muy distinta a temperaturas cercanas al cero absoluto, dependiendo del valor de su momento angular intrínseco o espín.
Esto divide a las partículas y a los átomos en dos categorías:
– Los bosones, que son los que tienen espín entero (1, 2, 3, …).
– Los fermiones, que son los que tienen espín semientero (1/2, 3/2, 5/2, …).
Los bosones no tienen ninguna restricción, en el sentido de que dos o más de ellos pueden ocupar un mismo estado cuántico.
En cambio los fermiones cumplen el principio de exclusión de Pauli: dos o más fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, o en otras palabras: solo puede haber un fermión por estado cuántico.
Esta diferencia fundamental entre bosones y fermiones hace que los condensados fermiónicos sean más difíciles de obtener que los bosónicos.
Para que los fermiones pasen a ocupar todos los niveles cuánticos más bajos es necesario que previamente se alineen en pares, para formar los llamados “pares de Cooper” que tienen comportamiento bosónico.
Allá por el año 1911, cuando Heike Kamerlingh Onnes estudiaba la resistencia del mercurio sometido a temperaturas muy bajas usando helio líquido como refrigerante, encontró que al alcanzar la temperatura de 4,2 K (-268,9 Celsius) la resistencia caía abruptamente a cero.
El primer superconductor había sido encontrado de una forma no prevista.
Sin saberlo, H.K. Onnes había logrado colocar a los electrones de conducción todos juntos en el nivel cuántico más bajo, hecho que en principio no es posible porque los electrones son fermiones.
Se había logrado que los electrones pasaran a la fase superfluida dentro del metal, pero como tienen carga eléctrica, ocasionan un flujo de carga eléctrica con viscosidad cero y consecuentemente resistencia eléctrica cero.
El mismo H.K. Onnes en Leiden, Holanda había encontrado que el helio que usaba como refrigerante pasaba a estado superfluido cuando se alcanzaba la temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius).
Sin saberlo, H.K. Onnes había conseguido por primera vez colocar juntos en su nivel cuántico más bajo a los átomos del helio con los que enfriaba al mercurio. De paso también se dio cuenta de que cuando la temperatura estaba por debajo de cierta temperatura crítica, el helio pasaba a la fase superfluida (viscosidad cero).
El helio-4 es un bosón y se comporta como tal, por eso se logró pasar de la fase líquida normal a la fase superfluida.
Sin embargo ninguno de estos se considera un condensado fermiónico o bosónico. En el caso de la superconductividad, los fermiones como los electrones, estaban dentro de la red cristalina del mercurio; y en el caso del helio superfluido se había pasado de la fase líquida a la fase superfluida.
La explicación teórica de la superconductividad llegó más tarde. Es la conocida teoría BCS desarrollada en el año 1957.
La teoría afirma que los electrones interactúan con la red cristalina formando pares que en vez de repelerse, se atraen formando los “pares de Cooper” que actúan como bosones. De este modo los electrones como conjunto, pueden ocupar los estados cuánticos de menor energía, siempre y cuando la temperatura sea lo suficientemente baja.
Un legítimo condensado de fermiones o de bosones debe partir de un gas muy diluido compuesto por átomos fermiónicos o bosónicos, que se enfríe de tal modo que sus partículas pasen todas a los estados cuánticos más bajos.
Como esto es mucho más complicado que conseguir un condensado de bosones, es solo recientemente cuando se ha logrado crear estos tipos de condensados.
Los fermiones son partículas o conglomerados de partículas con espín total semientero. El electrón, el protón y el neutrón son todas partículas con espín ½.
El núcleo de helio-3 (dos protones y un neutrón) se comporta como un fermión. El átomo neutro del potasio-40 tiene 19 protones + 21 neutrones + 19 electrones, que suman el número impar 59, por lo que se comporta como fermión.
Las partículas mediadoras de las interacciones son bosones. Entre estas partículas podemos nombrar las siguientes:
– Fotones (mediadores del electromagnetismo).
– Gluon (mediadores de la interacción nuclear fuerte).
– Bosones Z y W (mediadores de la interacción nuclear débil).
– Gravitón (mediadores de la interacción gravitacional).
Entre los bosones compuestos están los siguientes:
– Núcleo de deuterio (1 protón y 1 neutrón).
– Átomo de helio-4 (2 protones + 2 neutrones + 2 electrones).
Siempre que la suma de protones, neutrones y electrones de un átomo neutro resulte en un número entero el comportamiento será de bosón.
Un año antes de lograr el condensado de fermiones, se había conseguido la formación de moléculas con átomos fermiónicos que formaban pares fuertemente acoplados que se comportaban como bosones. Sin embargo esto no se considera un condensado fermiónico puro, sino que más bien se asemeja a un condensado bosónico.
Pero lo que se logró el 16 de diciembre de 2003 por el equipo conformado por Deborah Jin, Markus Greiner y Cindy Regal del laboratorio JILA en Boulder, Colorado, fue la formación de un condensado de pares de átomos fermiónicos individuales en un gas.
En este caso el par de átomos no forman una molécula, sino que se mueven juntos en forma correlacionada. Así, en conjunto el par de átomos fermiónicos actúa como un bosón, de allí que se haya logrado su condensación.
Para lograr esta condensación, el equipo JILA, partió de un gas con átomos de potasio-40 (que son fermiones), que fue confinado en una trampa óptica a 300 nanokelvin.
Luego se sometió el gas a un campo magnético oscilante para alterar la interacción repulsiva entre átomos y convertirla en interacción atractiva, mediante un fenómeno conocido como “resonancia de Fesbach”.
Ajustando los parámetros del campo magnético adecuadamente se logra que los átomos formen pares de Cooper en vez de moléculas. Luego se continúa enfriando para lograr el condensado fermiónico.
La tecnología desarrollada para lograr los condensados fermiónicos, en la que prácticamente se manipulan los átomos casi en forma individual, permitirá el desarrollo de la computación cuántica, entre otras tecnologías.
También mejorará el entendimiento de los fenómenos como la superconductividad y la superfluidez permitiendo nuevas materiales con propiedades especiales. Además se ha descubierto que hay un punto intermedio entre la superfluidez de las moléculas y la convencional mediante la formación de pares de Cooper.
La manipulación de átomos ultrafríos permitirá entender la diferencia entre estas dos modos de producir superfluidos, lo cual seguramente redundará en el desarrollo de la superconductividad a alta temperatura.
De hecho, hoy en día existen superconductores que si bien no funcionan a temperatura ambiente, sí que funcionan a temperaturas de nitrógeno líquido, que es relativamente barato y fácil de obtener.
Ampliando el concepto de condensados fermiónicos más allá de los gases atómicos de fermiones, pueden encontrarse numerosos ejemplos en los que los fermiones pasan a ocupar colectivamente niveles cuánticos de baja energía.
El primero como ya se dijo son los electrones en un superconductor. Se trata de fermiones que se alinean en pares para ocupar los niveles cuánticos más bajos a bajas temperaturas, exhibiendo comportamiento colectivo tipo bosónico y reduciendo la viscosidad y la resistencia a cero.
Otro ejemplo de agrupación fermiónica en estados de baja energías son los condensados de quarks. También el átomo de helio-3 es un fermión, pero a bajas temperaturas forma pares de Cooper de dos átomos que se comportan como bosones y exhiben comportamiento de superfluido.
- K Goral and K Burnett. Fermionic first for condensates. Recobrado de: physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condensates. Recobrado de: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers and B Dumé. Fermions condensate makes its debut. Recobrado de: physicsworld.com.
- Wikiwand. Condensado fermiónico. Recobrado de Wikiwand.com
- Wikiwand. Fermionic condensate. Recobrado de Wikiwand.com