Condensat fermionique - Fermionic condensate
| La physique de la matière condensée |
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Un condensat fermionique ou condensat Fermi-Dirac est une phase superfluide formée de particules fermioniques à basse température . Il est étroitement lié au condensat de Bose-Einstein , une phase superfluide formée par des atomes bosoniques dans des conditions similaires. Le premier condensat fermionique reconnu décrivait l'état des électrons dans un supraconducteur ; la physique d'autres exemples comprenant des travaux récents avec des atomes fermioniques est analogue. Le premier condensat fermionique atomique a été créé par une équipe dirigée par Deborah S. Jin en 2003.
Arrière-plan
Superfluidité
Les condensats fermioniques sont atteints à des températures plus basses que les condensats de Bose-Einstein. Les condensats fermioniques sont un type de superfluide . Comme son nom l'indique, un superfluide possède des propriétés fluides similaires à celles des liquides et des gaz ordinaires , telles que l'absence de forme définie et la capacité de s'écouler en réponse aux forces appliquées. Cependant, les superfluides possèdent des propriétés qui n'apparaissent pas dans la matière ordinaire. Par exemple, ils peuvent s'écouler à des vitesses élevées sans dissiper aucune énergie, c'est-à-dire une viscosité nulle . A des vitesses inférieures, l'énergie est dissipée par la formation de tourbillons quantifiés , qui agissent comme des "trous" dans le milieu où la superfluidité se décompose. La superfluidité a été découverte à l'origine dans l' hélium 4 liquide dont les atomes sont des bosons et non des fermions.
Superfluides fermioniques
Il est beaucoup plus difficile de produire un superfluide fermionique qu'un bosonique, car le principe d'exclusion de Pauli interdit aux fermions d'occuper le même état quantique . Cependant, il existe un mécanisme bien connu par lequel un superfluide peut être formé à partir de fermions : ce mécanisme est la transition BCS , découverte en 1957 par J. Bardeen , LN Cooper et R. Schrieffer pour décrire la supraconductivité. Ces auteurs ont montré qu'en dessous d'une certaine température, les électrons (qui sont des fermions) peuvent s'apparier pour former des paires liées maintenant appelées paires de Cooper . Tant que les collisions avec le réseau ionique du solide ne fourniront pas assez d'énergie pour rompre les paires de Cooper, le fluide électronique pourra s'écouler sans dissipation. En conséquence, il devient un superfluide et le matériau dans lequel il circule un supraconducteur.
La théorie BCS a connu un succès phénoménal dans la description des supraconducteurs. Peu de temps après la publication de l'article BCS, plusieurs théoriciens ont proposé qu'un phénomène similaire puisse se produire dans les fluides constitués de fermions autres que les électrons, tels que les atomes d' hélium-3 . Ces spéculations ont été confirmées en 1971, lorsque des expériences menées par DD Osheroff ont montré que l'hélium-3 devient un superfluide en dessous de 0,0025 K. Il a rapidement été vérifié que la superfluidité de l'hélium-3 provient d'un mécanisme de type BCS.
Création des premiers condensats fermioniques
Lorsqu'Eric Cornell et Carl Wieman ont produit un condensat de Bose-Einstein à partir d' atomes de rubidium en 1995, la perspective s'est naturellement présentée de créer un type de condensat similaire à partir d'atomes fermioniques, qui formerait un superfluide par le mécanisme BCS. Cependant, les premiers calculs indiquaient que la température requise pour produire un appariement de Cooper dans les atomes serait trop froide pour être atteinte. En 2001, Murray Holland de JILA a suggéré un moyen de contourner cette difficulté. Il a émis l'hypothèse que les atomes fermioniques pourraient être amenés à s'apparier en les soumettant à un champ magnétique puissant .
En 2003, travaillant sur la suggestion de Holland, Deborah Jin de la JILA, Rudolf Grimm de l' Université d'Innsbruck et Wolfgang Ketterle du MIT ont réussi à amener des atomes fermioniques à former des bosons moléculaires, qui ont ensuite subi une condensation de Bose-Einstein. Cependant, ce n'était pas un véritable condensat fermionique. Le 16 décembre 2003, Jin a réussi à produire pour la première fois un condensat à partir d'atomes fermioniques. L'expérience impliquait 500 000 atomes de potassium -40 refroidis à une température de 5 x 10 -8 K, soumis à un champ magnétique variable dans le temps.
Exemples
Condensat chiral
Un condensat chiral est un exemple de condensat fermionique qui apparaît dans les théories des fermions sans masse avec brisure de symétrie chirale , comme la théorie des quarks en chromodynamique quantique .
Théorie BCS
La théorie BCS de la supraconductivité a un condensat de fermions. Une paire d' électrons dans un métal avec des spins opposés peut former un état lié scalaire appelé paire de Cooper . Les états liés forment alors eux-mêmes un condensat. Puisque la paire de Cooper a une charge électrique , ce condensat de fermions brise la symétrie de jauge électromagnétique d'un supraconducteur, donnant lieu aux merveilleuses propriétés électromagnétiques de tels états.
CDQ
En chromodynamique quantique (QCD), le condensat chiral est également appelé condensat de quark . Cette propriété du vide QCD est en partie responsable de donner des masses aux hadrons (avec d'autres condensats comme le condensat de gluons ).
Dans une version approximative de QCD, qui a des masses de quarks nulles pour N saveurs de quarks , il existe une symétrie chirale exacte SU( N ) × SU( N ) de la théorie. Le vide QCD brise cette symétrie à SU( N ) en formant un condensat de quarks. L'existence d'un tel condensat de fermions a été montrée pour la première fois explicitement dans la formulation en réseau de la CDQ. Le condensat de quarks est donc un paramètre d'ordre des transitions entre plusieurs phases de la matière de quarks dans cette limite.
Ceci est très similaire à la théorie BCS de la supraconductivité. Les paires de Cooper sont analogues aux mésons pseudoscalaires . Cependant, le vide ne porte pas de charge. Par conséquent, toutes les symétries de jauge sont ininterrompues. Des corrections pour les masses des quarks peuvent être incorporées en utilisant la théorie des perturbations chirales .
Hélium-3 superfluide
Un atome d' hélium-3 est un fermion et à très basse température, ils forment des paires de Cooper à deux atomes qui sont bosoniques et se condensent en un superfluide . Ces paires de Cooper sont sensiblement plus grandes que la séparation interatomique.
Voir également
Notes de bas de page
Les références
Sources
- Guenault, Tony (2003). Superfluides de base . Taylor & François . ISBN 978-0-7484-0892-4.
- "Les scientifiques du NIST/Université du Colorado créent une nouvelle forme de matière : un condensat Fermionic" (communiqué de presse). Université du Colorado. 28 janvier 2004. Archivé de l'original le 7 décembre 2006.
- Rodgers, Pierre ; Dumé, Bell (28 janvier 2004). "Le condensat fermionique fait ses débuts" . Monde de la physique . Récupéré le 29 juin 2019 .</ref>
- Hägler, Ph. (2010). « Structure de hadrons de la chromodynamique quantique de réseau ». Rapports de physique . 490 (3-5): 49-175. arXiv : 0912.5483 . doi : 10.1016/j.physrep.2009.12.008 . ISSN 0370-1573 .