Condensado fermiônico: propriedades, aplicações e exemplos - Ciência - 2023

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UMA Condensado de Fermi é, no sentido mais estrito, um gás muito diluído composto de átomos fermiônicos que foram submetidos a uma temperatura próxima do zero absoluto. Desse modo, e em condições adequadas, passam a uma fase superfluida, formando um novo estado de agregação da matéria.

O primeiro condensado fermiônico foi obtido em 16 de dezembro de 2003 nos Estados Unidos, graças a uma equipe de físicos de várias universidades e instituições. O experimento utilizou cerca de 500 mil átomos de potássio-40 submetidos a um campo magnético variável e temperatura de 5 x 10^-8 Kelvin.

Essa temperatura é considerada próxima do zero absoluto e é muito mais baixa do que a temperatura do espaço intergaláctico, que é cerca de 3 Kelvin. Temperatura zero absoluta é entendida como 0 Kelvin, que é equivalente a -273,15 graus Celsius. Portanto, 3 Kelvin correspondem a -270,15 graus Celsius.

Alguns cientistas consideram o condensado fermiônico o estado sexual da matéria. Os primeiros quatro estados são mais familiares a todos: sólido, líquido, gasoso e plasma.

Um quinto estado da matéria já havia sido obtido quando uma condensação de átomos bosônicos foi alcançada. Este primeiro condensado foi criado em 1995 a partir de um gás rubídio-87 muito diluído resfriado a 17 x 10^-8 Kelvin.

A importância das baixas temperaturas

Os átomos se comportam de maneira muito diferente em temperaturas próximas do zero absoluto, dependendo do valor de seu momento angular intrínseco ou spin.

Isso divide partículas e átomos em duas categorias:

- Os bósons, que são aqueles com spin inteiro (1, 2, 3, ...).

- Férmions, que são aqueles com spin semi-inteiro (1/2, 3/2, 5/2,…).

Os bósons não têm nenhuma restrição, no sentido de que dois ou mais deles podem ocupar o mesmo estado quântico.

Por outro lado, os férmions cumprem o princípio de exclusão de Pauli: dois ou mais férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico, ou em outras palavras: só pode haver um férmion por estado quântico.

Essa diferença fundamental entre bósons e férmions torna os condensados fermiônicos mais difíceis de obter do que os bosônicos.

Para que os férmions ocupem todos os níveis quânticos mais baixos, é necessário que eles se alinhem previamente aos pares, para formar os chamados "pares de cooperQue têm comportamento bosônico.

História, fundamentos e propriedades

Em 1911, quando Heike Kamerlingh Onnes estudava a resistência do mercúrio submetido a temperaturas muito baixas usando hélio líquido como refrigerante, ele descobriu que ao atingir a temperatura de 4,2 K (-268,9 Celsius) a resistência caiu abruptamente para zero. .

O primeiro supercondutor foi encontrado de forma inesperada.

Sem saber, H.K. Onnes conseguiu colocar os elétrons de condução todos juntos no nível quântico mais baixo, um fato que em princípio não é possível porque os elétrons são férmions.

Conseguiu-se que os elétrons passassem para a fase superfluida no interior do metal, mas por possuírem carga elétrica, provocam um fluxo de carga elétrica com viscosidade zero e consequentemente resistência elétrica zero.

H.K. Onnes em Leiden, nos Países Baixos, descobriu que o hélio usado como refrigerante se tornou superfluido quando a temperatura de 2,2 K (-270,9 Celsius) foi atingida.

Sem saber, H.K. Onnes conseguiu pela primeira vez reunir os átomos de hélio com os quais resfriou o mercúrio em seu nível quântico mais baixo. De passagem, também percebeu que quando a temperatura ficava abaixo de uma determinada temperatura crítica, o hélio passava para a fase superfluida (viscosidade zero).

A teoria da supercondutividade

O hélio-4 é um bóson e se comporta como tal, por isso foi possível passar da fase líquida normal para a fase superfluida.

No entanto, nenhum deles é considerado um condensado fermiônico ou bosônico. No caso da supercondutividade, os férmions, como os elétrons, estavam dentro da estrutura cristalina do mercúrio; e no caso do hélio superfluido, ele passou da fase líquida para a fase superfluida.

A explicação teórica para a supercondutividade veio depois. É a conhecida teoria BCS desenvolvida em 1957.

A teoria afirma que os elétrons interagem com a rede cristalina formando pares que, em vez de se repelirem, se atraem, formando “pares de Cooper” que atuam como bósons. Dessa forma, os elétrons como um todo podem ocupar os estados quânticos de menor energia, desde que a temperatura seja baixa o suficiente.

Como produzir um condensado de férmion?

Um férmion ou condensado de bóson legítimo deve partir de um gás muito diluído composto de átomos fermiônicos ou bosônicos, que é resfriado de tal forma que todas as suas partículas vão para os estados quânticos mais baixos.

Como isso é muito mais complicado do que obter um condensado de bóson, só recentemente esses tipos de condensados foram criados.

Férmions são partículas ou conglomerados de partículas com metade do spin inteiro. O elétron, o próton e o nêutron são todos partículas de ½ spin.

O núcleo do hélio-3 (dois prótons e um nêutron) se comporta como um férmion. O átomo neutro de potássio-40 tem 19 prótons + 21 nêutrons + 19 elétrons, que somam o número ímpar 59, então ele se comporta como um férmion.

Partículas mediadoras

As partículas mediadoras das interações são bósons. Entre essas partículas, podemos citar o seguinte:

- Fótons (mediadores do eletromagnetismo).

- Gluon (mediadores de forte interação nuclear).

- Bosons Z e W (mediadores de interação nuclear fraca).

- Graviton (mediadores da interação gravitacional).

Bósons compostos

Entre os bósons compostos estão os seguintes:

- Núcleo de deutério (1 próton e 1 nêutron).

- Átomo de hélio-4 (2 prótons + 2 nêutrons + 2 elétrons).

Sempre que a soma de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro resultar em um inteiro, o comportamento será bóson.

Como um condensado fermiônico foi obtido

Um ano antes de atingir o condensado de férmion, havia sido alcançada a formação de moléculas com átomos fermiônicos que formaram pares fortemente acoplados que se comportavam como bósons. No entanto, este não é considerado um condensado fermiônico puro, mas sim se assemelha a um condensado bosônico.

Mas o que foi realizado em 16 de dezembro de 2003, pela equipe de Deborah Jin, Markus Greiner e Cindy Regal do laboratório JILA em Boulder, Colorado, foi a formação de um condensado de pares de átomos fermiônicos individuais em um gás.

Neste caso, o par de átomos não forma uma molécula, mas se move junto de forma correlacionada. Assim, como um todo, o par de átomos fermiônicos atua como um bóson, portanto sua condensação foi alcançada.

Para conseguir essa condensação, a equipe JILA começou com um gás com átomos de potássio-40 (que são férmions), que foi confinado em uma armadilha óptica a 300 nanokelvin.

O gás foi então submetido a um campo magnético oscilante para alterar a interação repulsiva entre os átomos e transformá-la em uma interação atrativa, por meio de um fenômeno conhecido como “ressonância de Fesbach”.

Ajustar os parâmetros do campo magnético de forma adequada torna possível que os átomos formem pares de Cooper em vez de moléculas. Em seguida, continua o resfriamento para obter o condensado fermiônico.

Aplicações e exemplos

A tecnologia desenvolvida para a obtenção de condensados fermiônicos, nos quais os átomos são manipulados de forma quase individual, permitirá o desenvolvimento da computação quântica, entre outras tecnologias.

Também irá melhorar a compreensão de fenômenos como supercondutividade e superfluidez, permitindo novos materiais com propriedades especiais. Além disso, descobriu-se que existe um ponto intermediário entre a superfluidez das moléculas e a convencional através da formação dos pares de Cooper.

A manipulação de átomos ultracold nos permitirá entender a diferença entre essas duas formas de produção de superfluidos, o que certamente resultará no desenvolvimento de supercondutividade em altas temperaturas.

Na verdade, hoje existem supercondutores que, embora não funcionem à temperatura ambiente, funcionam a temperaturas de nitrogênio líquido, que é relativamente barato e fácil de obter.

Estendendo o conceito de condensados fermiônicos além dos gases férmions atômicos, numerosos exemplos podem ser encontrados onde os férmions ocupam coletivamente níveis quânticos de baixa energia.

O primeiro, como já foi dito, são os elétrons em um supercondutor. Esses são férmions que se alinham aos pares para ocupar os níveis quânticos mais baixos em baixas temperaturas, exibindo um comportamento semelhante ao bosônico coletivo e reduzindo a viscosidade e a resistência a zero.

Outro exemplo de agrupamento fermiônico em estados de baixa energia são os condensados de quark. Além disso, o átomo de hélio-3 é um férmion, mas em baixas temperaturas ele forma pares de Cooper de dois átomos que se comportam como bósons e exibem comportamento de superfluido.

Referências

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M. Grainer, C. Regal, D. Jin. Condensados de Fermi. Obtido em: users.physics.harvard.edu
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Wikiwand. Condensado fermiônico. Recuperado de Wikiwand.com
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