Condensat fermionique

Un condensat fermionique, ou condensat fermi, est un état de la matière (phase superfluide) qui est très similaire au condensat Bose-Einstein. Les superfluides sont également des condensats de Bose-Einstein.

La seule différence est que les condensats Bose-Einstein sont constitués de bosons et qu'ils sont sociaux les uns avec les autres (en groupe ou en grappe). Les condensats Fermi sont antisociaux (ils ne s'attirent pas du tout). Cela doit être fait artificiellement.

Cet état des lieux a été fait en décembre 2003 par Deborah Jin et son groupe. Jin a travaillé pour l'Institut national des normes et de la technologie de l'Université du Colorado. Son équipe a créé cet état de la matière en refroidissant un nuage de 40 atomes de potassium à moins d'un millionième °C au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C, c'est la limite inférieure hypothétique des températures physiques). C'est la même température que celle requise pour refroidir la matière en un condensat de Bose-Einstein. Le processus de refroidissement d'un gaz en un condensat est appelé condensation.

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Deborah Jin

Albert Einstein, l'un des deux hommes qui ont émis des hypothèses sur les condensats Bose-Einstein dans les années 1920.Zoom
Albert Einstein, l'un des deux hommes qui ont émis des hypothèses sur les condensats Bose-Einstein dans les années 1920.

Satyendra Nath Bose, l'homme qui a travaillé avec Einstein pour trouver l'idée des condensats Bose-Einstein. Il est également célèbre pour ses statistiques sur Bose-Einstein.Zoom
Satyendra Nath Bose, l'homme qui a travaillé avec Einstein pour trouver l'idée des condensats Bose-Einstein. Il est également célèbre pour ses statistiques sur Bose-Einstein.

Différence entre les fermions et les bosons

Les bosons et les fermions sont des particules subatomiques (morceaux de matière plus petits qu'un atome). La différence entre un boson et un fermion est le nombre d'électrons, de neutrons et/ou de protons de l'atome. Un atome est composé de bosons s'il possède un nombre pair d'électrons. Un atome est composé de fermions s'il a un nombre impair d'électrons, de neutrons et de protons. Un exemple de boson serait un gluon. Un exemple de fermion serait le potassium 40, qui est ce que Deborah Jin a utilisé comme nuage de gaz. Les bosons peuvent former des amas et sont attirés les uns par les autres, alors que les fermions ne forment pas d'amas. Les fermions se trouvent généralement en chaînes droites car ils se repoussent les uns les autres. C'est parce que les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli, qui stipule qu'ils ne peuvent pas se rassembler dans le même état quantique.

C'est le modèle standard des particules élémentaires, généralement appelé "modèle standard".Zoom
C'est le modèle standard des particules élémentaires, généralement appelé "modèle standard".

Similitude avec le condensat Bose-Einstein

Tout comme les condensats de Bose-Einstein, les condensats de Fermi vont s'unir (croître ensemble en une seule entité) avec les particules qui les composent. Les condensats de Bose-Einstein et les condensats de Fermi sont également des états de matière créés par l'homme. Les particules qui composent ces états de matière doivent être artificiellement surrefroidies pour avoir les propriétés qu'elles ont. Cependant, les condensats de fermi ont atteint des températures encore plus basses que les condensats de Bose-Einstein. De plus, les deux états de la matière n'ont pas de viscosité, ce qui signifie qu'ils peuvent s'écouler sans s'arrêter.

Hélium 3 et fermions

La création d'un condensat de fermi est très difficile. Les fermions obéissent au principe d'exclusion, et ils ne sont pas attirés les uns par les autres. Ils se repoussent mutuellement. Jin et son équipe de recherche ont trouvé un moyen de les fusionner. Ils ont ajusté et appliqué un champ magnétique sur les fermions antisociaux, de sorte qu'ils ont commencé à perdre leurs propriétés. Les fermions ont conservé une partie de leur caractère, mais ils se sont comportés un peu comme des bosons. Grâce à cela, ils ont pu faire fusionner des paires de fermions séparées les unes des autres, encore et encore. Mme Jin soupçonne que ce processus d'appariement est le même pour l'hélium 3, également un superfluide. Sur la base de ces informations, ils peuvent émettre l'hypothèse (faire une supposition éclairée) que les condensats fermioniques s'écouleront également sans aucune viscosité.

Superconductivité et condensats fermioniques

Un autre phénomène connexe est la supraconductivité. Dans la supraconductivité, des électrons appariés peuvent circuler avec une viscosité nulle. La supraconductivité présente un certain intérêt, car elle peut être une source d'électricité moins chère et plus propre. Elle pourrait également être utilisée pour alimenter les trains en lévitation et les voitures volantes.

Mais cela ne peut se faire que si les scientifiques peuvent créer ou découvrir des matériaux qui sont des supraconducteurs à température ambiante. En fait, un prix Nobel sera décerné à celui qui réussira à fabriquer un supraconducteur à température ambiante. Pour l'instant, le problème est que les scientifiques doivent travailler avec des supraconducteurs à environ -135 °C. Cela implique l'utilisation d'azote liquide et d'autres méthodes pour obtenir des températures extrêmement froides. C'est bien sûr un travail fastidieux, c'est pourquoi les scientifiques préfèrent utiliser des supraconducteurs à température ambiante. L'équipe de Mme Jin pense que le remplacement des électrons appariés par les fermions appariés permettrait d'obtenir un supraconducteur à température ambiante.

La supraconductivité. C'est l'effet Meissner.Zoom
La supraconductivité. C'est l'effet Meissner.

Questions et réponses

Q : Qu'est-ce qu'un condensat fermionique ?


R : Un condensat fermionique est un état de la matière similaire à un condensat de Bose-Einstein, mais composé de fermions au lieu de bosons.

Q : En quoi les condensats fermioniques diffèrent-ils des condensats de Bose-Einstein ?


R : Les condensats de Fermi sont antisociaux et ne s'attirent pas les uns les autres, alors que les condensats de Bose-Einstein sont sociaux et s'attirent les uns les autres en groupes ou en amas.

Q : Les condensats de Fermi peuvent-ils se produire naturellement ?


R : Non, les condensats de Fermi doivent être créés artificiellement par le processus de condensation, le même processus que celui utilisé pour créer les condensats de Bose-Einstein.

Q : Qui a créé le premier condensat de Fermi ?


R : Deborah Jin et son équipe du National Institute of Standards and Technology de l'université du Colorado ont créé le premier condensat de Fermi en décembre 2003.

Q : À quelle température le premier condensat de Fermi a-t-il été créé ?


R : Le premier condensat de Fermi a été créé en refroidissant un nuage d'atomes de potassium 40 à moins d'un millionième de °C au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C), la même température que celle requise pour créer un condensat de Bose-Einstein.

Q : Comment appelle-t-on le processus de refroidissement d'un gaz en un condensat ?


R : Le processus de refroidissement d'un gaz en un condensat s'appelle la condensation.

Q : Les superfluides sont-ils également des condensats de Bose-Einstein ?


R : Oui, les superfluides sont également des condensats de Bose-Einstein, mais ils sont constitués de bosons et non de fermions.

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