Un fluido cuántico se refiere a cualquier sistema que exhiba efectos de la mecánica cuántica a nivel macroscópico, como superfluidos , superconductores , átomos ultrafríos , etc. Normalmente, los fluidos cuánticos surgen en situaciones en las que tanto los efectos de la mecánica cuántica como los efectos estadísticos cuánticos son significativos.
La mayor parte de la materia es sólida o gaseosa (a bajas densidades) cercana al cero absoluto . Sin embargo, para los casos del helio-4 y su isótopo helio-3 , existe un rango de presión en el que pueden permanecer líquidos hasta el cero absoluto porque la amplitud de las fluctuaciones cuánticas que experimentan los átomos de helio es mayor que las distancias interatómicas. .
En el caso de los fluidos cuánticos sólidos, sólo una fracción de sus electrones o protones se comporta como un “fluido”. Un ejemplo destacado es el de la superconductividad, donde las cuasipartículas formadas por pares de electrones y un fonón actúan como bosones que luego son capaces de colapsar al estado fundamental para establecer una supercorriente con una resistividad cercana a cero.
Los efectos de la mecánica cuántica adquieren importancia para la física en el rango de la longitud de onda de De Broglie . Para la materia condensada, esto ocurre cuando la longitud de onda de De Broglie de una partícula es mayor que el espacio entre las partículas en la red que comprende la materia. La longitud de onda de De Broglie asociada con una partícula masiva es
donde h es la constante de Planck. El impulso se puede encontrar a partir de la teoría cinética de los gases , donde
Aquí, la temperatura se puede encontrar como
Por supuesto, podemos reemplazar el impulso aquí con el impulso derivado de la longitud de onda de De Broglie así:
Por lo tanto, podemos decir que los fluidos cuánticos se manifestarán en regiones de temperatura aproximadas donde d es el espaciado de la red (o espaciado entre partículas). Matemáticamente esto se expresa así:
Es fácil ver cómo se relaciona la definición anterior con la densidad de partículas, n. Podemos escribir
en cuanto a una red tridimensional
El límite de temperatura anterior tiene un significado diferente según las estadísticas cuánticas seguidas por cada sistema, pero generalmente se refiere al punto en el que el sistema manifiesta las propiedades del fluido cuántico. Para un sistema de fermiones , es una estimación de la energía de Fermi del sistema, donde tienen lugar procesos importantes para fenómenos como la superconductividad. Para bosones , proporciona una estimación de la temperatura de condensación de Bose-Einstein.
