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 describió 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 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 el 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 energía, es decir, viscosidad cero . A velocidades más bajas, la energía se disipa mediante la formación de vórtices cuantificados , que actúan como "agujeros" en el medio donde se descompone 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 emparejarse para formar pares unidos ahora conocidos como pares de Cooper . Mientras las colisiones con la red iónica del sólido no proporcionen suficiente energía para romper los pares de Cooper, el fluido de electrones podrá fluir sin disiparse. Como resultado, se convierte en un superfluido y el material a través del cual fluye en un superconductor.
La teoría BCS tuvo un éxito espectacular en la descripción de los superconductores. Poco después de la publicación del artículo de BCS, varios teóricos propusieron que un fenómeno similar podría ocurrir en fluidos formados por fermiones distintos de 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, naturalmente surgió la posibilidad de crear un tipo similar de condensado hecho a partir de átomos fermiónicos, que formaría un superfluido mediante el mecanismo BCS. Sin embargo, los primeros cálculos indicaron que la temperatura requerida para producir el emparejamiento de Cooper en los átomos sería demasiado fría para alcanzarla. En 2001, Murray Holland de JILA sugirió una manera de sortear esta dificultad. Especuló que se podría lograr que los átomos fermiónicos se emparejaran sometiéndolos a un fuerte campo magnético .
En 2003, siguiendo la sugerencia de Holland, Deborah Jin del JILA, Rudolf Grimm de la Universidad de Innsbruck y Wolfgang Ketterle del MIT lograron convencer a los átomos fermiónicos para que formaran bosones moleculares, que luego se sometieron a la condensación de Bose-Einstein. Sin embargo, este no era un verdadero condensado fermiónico. El 16 de diciembre de 2003, Jin logró producir por primera vez un condensado a partir de átomos fermiónicos. En el experimento participaron 500.000 átomos de potasio -40 enfriados a una temperatura de 5×10 -8 K, sometidos 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 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 propios estados ligados forman entonces un condensado. Dado que el par de Cooper tiene carga eléctrica , este condensado de fermiones rompe la simetría electromagnética de un superconductor, dando lugar a las maravillosas propiedades electromagnéticas de tales estados.
En cromodinámica cuántica (QCD), el condensado quiral también se denomina condensado de quarks . Esta propiedad del vacío QCD es en parte responsable de dar masas a los hadrones (junto con otros condensados como el condensado de gluones ).
En una versión aproximada de QCD, que tiene masas de quarks que desaparecen para N sabores de quarks , existe una simetría quiral exacta SU( N ) × SU( N ) de la teoría. El vacío QCD rompe esta simetría a SU ( N ) formando un condensado de quarks. La existencia de tal condensado de fermiones se demostró explícitamente por primera vez en la formulación reticular de QCD. El condensado de quarks es, por tanto, 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 de la superconductividad BCS . Los pares de Cooper son análogos a los mesones pseudoescalares . Sin embargo, la aspiradora no conlleva ningún coste. Por tanto, todas las simetrías de calibre están intactas. Se pueden incorporar correcciones para las masas de los quarks utilizando la teoría de la 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 más grandes que la separación interatómica.