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Concept
Condensat fermionique
Résumé
Un condensat fermionique est un ensemble de fermions identiques qui présente une phase de superfluidité à basse température. C'est l'équivalent pour les fermions des condensats de Bose-Einstein pour les bosons.
Les premiers condensats de Bose-Einstein moléculaires furent produits en 1995, ouvrant la voie à l'étude des condensats quantiques. En 1999, l'équipe de Deborah Jin, refroidit pour la première fois un gaz de fermions dans le régime de dégénérescence quantique mais l'interaction entre particules n'était pas suffisamment forte pour montrer une transition de phase. Le premier condensat fermionique a été trouvé en 2003, par la même équipe, en utilisant des champs magnétiques pour renforcer les interactions.
Le comportement d'un gaz de fermions dégénéré n'est plus décrit par la physique classique mais par la physique quantique.
Du fait du principe d'exclusion de Pauli, les fermions identiques, caractérisées par leur spin demi-entier, tels qu'électrons, neutrons, protons, neutrinos, quarks, etc. ne peuvent pas occuper le même état quantique. Il en résulte qu'en dessous d'une température suffisamment basse, les prédictions de la physique classique (distribution statistique de Maxwell-Boltzmann) perdent leur sens, puisqu'elles prévoient que les états de plus basse énergie sont occupés par plusieurs particules.
Un gaz entre dans ce régime purement quantique lorsque sa température est suffisamment basse et la densité numérique est large. Par définition, la température en dessous de laquelle la physique classique n'est plus pertinente est appelée la température de Fermi.
Le modèle du gaz idéal de fermions est un système thermodynamique composé de particules fermioniques qui n'interagissent pas. Ces particules obéissent à la statistique de Fermi-Dirac.
où :
N est la population de particules d'énergie E dans un volume de référence V,
μ le potentiel chimique,
g la dégénérescence,
et kB la constante de Boltzmann.
Pour les faibles températures α < 1 (voir figure) seul l'état fondamental est peuplé : il y a dégénérescence et le système est décrit par la mécanique quantique.
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