CONDENSAT FERMIONIQUE: PROPRIÉTÉS, APPLICATIONS ET EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Un condensat de Fermi est, au sens strict, un gaz très dilué constitué d'atomes fermioniques qui ont été soumis à une température proche du zéro absolu. De cette manière, et dans des conditions appropriées, ils passent dans une phase superfluide, formant un nouvel état d'agrégation de matière.

Le premier condensat fermionique a été obtenu le 16 décembre 2003 aux États-Unis, grâce à une équipe de physiciens de diverses universités et institutions. L'expérience a utilisé environ 500 000 atomes de potassium 40 soumis à un champ magnétique variable et à une température de 5 x 10 ^-8 Kelvin.

Aimant supraconducteur. Source: pixabay

Cette température est considérée comme proche du zéro absolu et est largement inférieure à la température de l'espace intergalactique, qui est d'environ 3 Kelvin. On entend par zéro absolu de température 0 Kelvin, ce qui équivaut à -273,15 degrés Celsius. Donc 3 Kelvin correspond à -270,15 degrés Celsius.

Certains scientifiques considèrent le condensat fermionique comme l'état sexuel de la matière. Les quatre premiers états sont les plus connus de tous: solide, liquide, gazeux et plasma.

Auparavant, un cinquième état de la matière avait été obtenu lorsqu'un condensat d'atomes bosoniques était atteint. Ce premier condensat a été créé en 1995 à partir d'un gaz rubidium-87 très dilué refroidi à 17 x 10 ^-8 Kelvin.

L'importance des basses températures

Les atomes se comportent très différemment à des températures proches du zéro absolu, en fonction de la valeur de leur moment angulaire intrinsèque, ou spin.

Cela divise les particules et les atomes en deux catégories:

- Les bosons, qui sont ceux à spin entier (1, 2, 3,…).

- Les fermions, qui sont celles à spin semi-entier (1/2, 3/2, 5/2,…).

Les bosons n'ont aucune restriction, en ce sens que deux ou plus d'entre eux peuvent occuper le même état quantique.

Par contre, les fermions satisfont au principe d'exclusion de Pauli: deux fermions ou plus ne peuvent pas occuper le même état quantique, ou en d'autres termes: il ne peut y avoir qu'un seul fermion par état quantique.

Cette différence fondamentale entre les bosons et les fermions rend les condensats fermioniques plus difficiles à obtenir que les bosoniques.

Pour que les fermions occupent tous les niveaux quantiques inférieurs, il est nécessaire qu'ils s'alignent au préalable par paires, pour former les soi-disant «paires de Cooper» qui ont un comportement bosonique.

Histoire, fondements et propriétés

En 1911, lorsque Heike Kamerlingh Onnes étudiait la résistance du mercure soumis à des températures très basses en utilisant de l'hélium liquide comme réfrigérant, il a découvert qu'en atteignant la température de 4,2 K (-268,9 Celsius), la résistance tombait brusquement à zéro..

Le premier supraconducteur avait été trouvé de manière inattendue.

Sans le savoir, HK Onnes avait réussi à mettre les électrons de conduction tous ensemble au niveau quantique le plus bas, un fait qui en principe n'est pas possible car les électrons sont des fermions.

Il avait été réalisé que les électrons passaient à la phase superfluide à l'intérieur du métal, mais comme ils ont une charge électrique, ils provoquent un flux de charge électrique avec une viscosité nulle et par conséquent une résistance électrique nulle.

HK Onnes lui-même à Leiden, aux Pays-Bas, avait découvert que l'hélium qu'il utilisait comme réfrigérant devenait superfluide lorsque la température de 2,2 K (-270,9 Celsius) était atteinte.

Sans le savoir, HK Onnes avait pour la première fois réussi à réunir les atomes d'hélium avec lesquels il refroidissait le mercure à leur niveau quantique le plus bas. Au passage, il s'est également rendu compte que lorsque la température était inférieure à une certaine température critique, l'hélium passait dans la phase superfluide (viscosité nulle).

La théorie de la supraconductivité

L'hélium-4 est un boson et se comporte comme tel, c'est pourquoi il a été possible de passer de la phase liquide normale à la phase superfluide.

Cependant, aucun de ceux-ci n'est considéré comme un condensat fermionique ou bosonique. Dans le cas de la supraconductivité, les fermions, comme les électrons, étaient dans le réseau cristallin du mercure; et dans le cas de l'hélium superfluide, il est passé de la phase liquide à la phase superfluide.

L'explication théorique de la supraconductivité est venue plus tard. Il s'agit de la théorie BCS bien connue développée en 1957.

La théorie affirme que les électrons interagissent avec le réseau cristallin en formant des paires qui, au lieu de se repousser, s'attirent en formant des «paires de Cooper» qui agissent comme des bosons. De cette manière, les électrons dans leur ensemble peuvent occuper les états quantiques les plus faibles d'énergie, tant que la température est suffisamment basse.

Comment produire un condensat de fermion?

Un fermion ou un condensat de boson légitime doit partir d'un gaz très dilué composé d'atomes fermioniques ou bosoniques, qui est refroidi de manière à ce que ses particules atteignent toutes les états quantiques les plus bas.

Comme cela est beaucoup plus compliqué que d'obtenir un condensat de boson, ce n'est que récemment que ces types de condensats ont été créés.

Les fermions sont des particules ou des conglomérats de particules avec un demi-tour complet. L'électron, le proton et le neutron sont tous des particules de ½ spin.

Le noyau de l'hélium-3 (deux protons et un neutron) se comporte comme un fermion. L'atome neutre de potassium-40 a 19 protons + 21 neutrons + 19 électrons, qui s'additionnent au nombre impair 59, il se comporte donc comme un fermion.

Particules de médiateur

Les particules médiatrices des interactions sont des bosons. Parmi ces particules, nous pouvons citer les suivantes:

- Photons (médiateurs de l'électromagnétisme).

- Gluon (médiateurs de forte interaction nucléaire).

- les bosons Z et W (médiateurs de l'interaction nucléaire faible).

- Graviton (médiateurs de l'interaction gravitationnelle).

Bosons composés

Parmi les bosons composés sont les suivants:

- Noyau de deutérium (1 proton et 1 neutron).

- Atome d'hélium-4 (2 protons + 2 neutrons + 2 électrons).

Chaque fois que la somme des protons, neutrons et électrons d'un atome neutre aboutit à un entier, le comportement sera celui du boson.

Comment un condensat fermionique a été obtenu

Un an avant la réalisation du condensat de fermion, la formation de molécules avec des atomes fermioniques qui formaient des paires étroitement couplées qui se comportaient comme des bosons avait été réalisée. Cependant, cela n'est pas considéré comme un condensat fermionique pur, mais ressemble plutôt à un condensat bosonique.

Mais ce qui a été accompli le 16 décembre 2003 par l'équipe de Deborah Jin, Markus Greiner et Cindy Regal du laboratoire JILA à Boulder, Colorado, a été la formation d'un condensat de paires d'atomes fermioniques individuels dans un gaz.

Dans ce cas, la paire d'atomes ne forme pas une molécule, mais se déplace ensemble de manière corrélée. Ainsi, dans son ensemble, la paire d'atomes fermioniques agit comme un boson, d'où leur condensation a été réalisée.

Pour réaliser cette condensation, l'équipe JILA est partie d'un gaz à 40 atomes de potassium (qui sont des fermions), qui était confiné dans un piège optique à 300 nanokelvin.

Le gaz a ensuite été soumis à un champ magnétique oscillant pour modifier l'interaction répulsive entre les atomes et en faire un attractif, grâce à un phénomène connu sous le nom de «résonance de Fesbach».

L'ajustement des paramètres du champ magnétique de manière appropriée permet aux atomes de former des paires de Cooper au lieu de molécules. Puis il continue à refroidir pour obtenir le condensat fermionique.

Applications et exemples

La technologie développée pour obtenir des condensats fermioniques, dans lesquels les atomes sont pratiquement manipulés presque individuellement, permettra le développement de l'informatique quantique, entre autres technologies.

Il améliorera également la compréhension de phénomènes tels que la supraconductivité et la superfluidité, permettant de nouveaux matériaux aux propriétés particulières. De plus, il a été découvert qu'il existe un point intermédiaire entre la superfluidité des molécules et celle conventionnelle par la formation de paires de Cooper.

La manipulation d'atomes ultra-froids nous permettra de comprendre la différence entre ces deux modes de production de superfluides, ce qui entraînera sûrement le développement d'une supraconductivité à haute température.

En fait, il existe aujourd'hui des supraconducteurs qui, bien qu'ils ne fonctionnent pas à température ambiante, fonctionnent à des températures de l'azote liquide, ce qui est relativement bon marché et facile à obtenir.

En étendant le concept de condensats fermioniques au-delà des gaz de fermion atomiques, de nombreux exemples peuvent être trouvés où les fermions occupent collectivement des niveaux quantiques de basse énergie.

Le premier comme déjà dit sont les électrons dans un supraconducteur. Ce sont des fermions qui s'alignent par paires pour occuper les niveaux quantiques les plus bas à basse température, présentant un comportement bosonique collectif et réduisant la viscosité et la résistance à zéro.

Un autre exemple de regroupement fermionique dans des états de basse énergie est celui des condensats de quark. L'atome d'hélium-3 est également un fermion, mais à basse température, il forme des paires de Cooper de deux atomes qui se comportent comme des bosons et présentent un comportement superfluide.

Références

1. K Goral et K Burnett. Fermionic d'abord pour les condensats. Récupéré de: physicsworld.com
2. M Grainer, C Regal, D Jin. Condensats de Fermi. Récupéré de: users.physics.harvard.edu
3. P Rodgers et B Dumé. Le condensat de Fermions fait ses débuts. Récupéré de: physicsworld.com.
4. Wikiwand. Condensat fermionique. Récupéré de Wikiwand.com
5. Wikiwand. Condensat fermionique. Récupéré de Wikiwand.com