Un condensado fermiónico (o condensado de Fermi-Dirac ) es una fase superfluida formada por partículas fermiónicas a bajas temperaturas . Está estrechamente relacionado con el condensado de Bose-Einstein , una fase superfluida formada por átomos bosónicos en condiciones similares. El condensado fermiónico más antiguo reconocido describía el estado de los electrones en un superconductor ; la física de otros ejemplos, incluido el trabajo reciente con átomos fermiónicos , es análoga. El primer condensado fermiónico atómico fue creado por un equipo dirigido por Deborah S. Jin utilizando átomos de potasio-40 en la Universidad de Colorado en Boulder en 2003. [1] [2]
Los condensados fermiónicos se obtienen a temperaturas más bajas que los condensados de Bose-Einstein. Los condensados fermiónicos son un tipo de superfluido . Como sugiere su nombre, un superfluido posee propiedades fluidas similares a las que poseen los líquidos y gases ordinarios , como la falta de una forma definida y la capacidad de fluir en respuesta a fuerzas aplicadas. Sin embargo, los superfluidos poseen algunas propiedades que no aparecen en la materia ordinaria. Por ejemplo, pueden fluir a altas velocidades sin disipar ninguna energía, es decir, viscosidad cero . A velocidades más bajas, la energía se disipa mediante la formación de vórtices cuantizados , que actúan como "agujeros" en el medio donde se rompe la superfluidez. La superfluidez se descubrió originalmente en el helio-4 líquido , cuyos átomos son bosones , no fermiones.
Es mucho más difícil producir un superfluido fermiónico que uno bosónico, porque el principio de exclusión de Pauli prohíbe que los fermiones ocupen el mismo estado cuántico . Sin embargo, existe un mecanismo bien conocido por el cual se puede formar un superfluido a partir de fermiones: ese mecanismo es la transición BCS , descubierta en 1957 por J. Bardeen , LN Cooper y R. Schrieffer para describir la superconductividad. Estos autores demostraron que, por debajo de cierta temperatura, los electrones (que son fermiones) pueden aparearse para formar pares ligados ahora conocidos como pares de Cooper . Mientras las colisiones con la red iónica del sólido no suministren suficiente energía para romper los pares de Cooper, el fluido electrónico podrá fluir sin disipación. Como resultado, se convierte en un superfluido y el material a través del cual fluye en un superconductor.
La teoría BCS tuvo un éxito fenomenal en la descripción de los superconductores. Poco después de la publicación del artículo sobre BCS, varios teóricos propusieron que un fenómeno similar podría ocurrir en fluidos compuestos por fermiones distintos de los electrones, como los átomos de helio-3 . Estas especulaciones se confirmaron en 1971, cuando los experimentos realizados por DD Osheroff demostraron que el helio-3 se convierte en un superfluido por debajo de 0,0025 K. Pronto se verificó que la superfluidez del helio-3 surge de un mecanismo similar al BCS. [a]
Cuando Eric Cornell y Carl Wieman produjeron un condensado de Bose-Einstein a partir de átomos de rubidio en 1995, surgió naturalmente la perspectiva de crear un tipo similar de condensado a partir de átomos fermiónicos, que formarían un superfluido mediante el mecanismo BCS. Sin embargo, los primeros cálculos indicaban que la temperatura necesaria para producir el apareamiento de Cooper en los átomos sería demasiado fría para alcanzarla. En 2001, Murray Holland, del JILA, sugirió una forma de sortear esta dificultad. Especuló que se podría inducir a los átomos fermiónicos a aparearse sometiéndolos a un campo magnético intenso .
En 2003, siguiendo la sugerencia de Holland, Deborah Jin en JILA, Rudolf Grimm en la Universidad de Innsbruck y Wolfgang Ketterle en el MIT lograron que átomos fermiónicos formaran bosones moleculares, que luego sufrieron la condensación de Bose-Einstein. Sin embargo, no se trataba de un condensado fermiónico verdadero. El 16 de diciembre de 2003, Jin logró producir un condensado a partir de átomos fermiónicos por primera vez. El experimento involucró 500.000 átomos de potasio -40 enfriados a una temperatura de 5×10 −8 K, sujetos a un campo magnético variable en el tiempo. [2]
Un condensado quiral es un ejemplo de condensado fermiónico que aparece en teorías de fermiones sin masa con ruptura de simetría quiral , como la teoría de los quarks en la cromodinámica cuántica .
La teoría BCS de la superconductividad tiene un condensado de fermiones. Un par de electrones en un metal con espines opuestos puede formar un estado ligado escalar llamado par de Cooper . Los estados ligados forman entonces un condensado. Dado que el par de Cooper tiene carga eléctrica , este condensado de fermiones rompe la simetría de calibre electromagnética de un superconductor, lo que da lugar a las inusuales propiedades electromagnéticas de dichos estados.
En cromodinámica cuántica (QCD), el condensado quiral también se denomina condensado de quarks . Esta propiedad del vacío de QCD es en parte responsable de otorgar masas a los hadrones (junto con otros condensados como el condensado de gluones ).
En una versión aproximada de la QCD, que tiene masas de quarks que se desvanecen para N sabores de quarks , existe una simetría quiral exacta SU( N ) × SU( N ) de la teoría. El vacío de la QCD rompe esta simetría a SU( N ) al formar un condensado de quarks. La existencia de un condensado de fermiones de este tipo se mostró por primera vez explícitamente en la formulación reticular de la QCD. Por lo tanto, el condensado de quarks es un parámetro de orden de las transiciones entre varias fases de la materia de quarks en este límite.
Esto es muy similar a la teoría BCS de la superconductividad. Los pares de Cooper son análogos a los mesones pseudoescalares . Sin embargo, el vacío no lleva carga. Por lo tanto, todas las simetrías de calibración son ininterrumpidas. Se pueden incorporar correcciones para las masas de los quarks utilizando la teoría de perturbación quiral .
Un átomo de helio-3 es un fermión y, a temperaturas muy bajas, forman pares de Cooper de dos átomos que son bosónicos y se condensan en un superfluido . Estos pares de Cooper son sustancialmente mayores que la separación interatómica.