Gaz de fermions dégénéré
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Vous avez de Un gaz de fermions est dit dégénéré lorsque son comportement n'est plus décrit par la physique classique mais par la physique quantique. Un gaz entre dans ce régime purement quantique lorsque sa température est suffisamment basse. Par définition, la température en dessous de laquelle la physique classique n'est plus pertinente est appelée la température de Fermi.
En 1995 furent produits les premiers condensats de Bose-Einstein gazeux, ouvrant la voie à l'étude des gaz quantiques. En 1999, l'équipe de Deborah Jin, du laboratoire NIST-JILA (Université du Colorado, USA), refroidit pour le première fois un gaz de fermions dans le régime de dégénérescence quantique.
[modifier] Refroidissement d'un gaz de fermions
Refroidir un gaz de fermions est plus difficile que pour un gaz de bosons. En effet, dès que le gaz entre dans le régime quantique, les collisions entre fermions identiques dans le même état interne sont fortement inhibées par le principe de Pauli, ce qui limite l'efficacité du refroidissement par évaporation. Deux voies ont été empruntées pour contourner cette limitation : on prépare le gaz dans un mélange d'états internes avant l'évaporation, et les collisions se font entre atomes d'états internes différents, ou bien on refroidit le gaz par thermalisation avec un gaz de bosons simultanément présent (on parle de refroidissement sympathique).
On obtient ainsi un gaz de 10^5, voire 10^6 atomes fermioniques à une température inférieure à 0.2T_F.
[modifier] Effets de la statistique fermionique
Deux fermions identiques ne pouvant être dans le même état, il est clair qu'à suffisamment basse température les prédictions de la physique classique perdent leur sens, puisqu'elles prévoient que les états de plus basse énergie sont occupées par plusieurs particules.
La théorie quantique prévoit qu'à température nulle, si le gaz contient N particules, les N états de plus basse énergie sont chacun occupés par un fermion exactement, et les autres sont vides. L'énergie seuil à partir de laquelle l'occupation des états devient nulle est par définition l'énergie de Fermi ; la température de Fermi TF est simplement l'énergie de Fermi divisée par la constante de Boltzmann.
Pour un gaz de fermions identiques sans interaction, piégé dans un potentiel harmonique de pulsation ω, on a
Les gaz de fermions ultrafroids produits actuellement contiennent typiquement 105 atomes piégés à une fréquence ω de l'ordre de 100 Hz. La température de Fermi est alors de l'ordre du μK.
[modifier] Interactions dans un gaz de fermions dégénéré
Les interactions entre fermions identiques dans le même état interne sont fortement inhibées à basse température. Cependant on peut préparer un mélange ultrafroid de fermions identiques dans deux états de spin différents ; les collisions entre atomes de spins différents sont alors autorisées.
De plus, on peut exploiter le phénomène de résonance de Feshbach pour varier à souhait la force des interactions en plongeant le gaz dans un champ magnétique ajustable. Selon la valeur des interactions, les atomes peuvent s'apparier en molécules qui forment alors un condensat de Bose-Einstein, s'apparier en paires de Cooper pour former un état BCS, et, dans le cas intermédiaire, former un état à N corps complexe qui résiste aux études théoriques et qui pourrait s'avérer intéressant pour l'étude de la supraconductivité à haute température critique.
[modifier] Condensat de Bose-Einstein de molécules
En 2003, l'équipe de Deborah Jin parvint à refroidir un gaz de fermions (du 40K) en deçà de la température de dégénérescence dans le régime d'interaction forte. Les atomes se regroupent alors en paires, c'est-à-fire forment des molécules. Ces dernières ont un comportement bosonique et peuvent donc former un condensat de Bose-Einstein, comprenant environ 500000 molécules à une température de 50 nK.
[modifier] Phase Bardeen-Cooper-Schrieffer
Lorsque les atomes d'états internes s'attirent faiblement, ils s'apparient en paires de Cooper, un objet très différent d'une molécule. Chaque paire est constituée de deux atomes d'impulsions opposées, et est délocalisée dans l'espace des positions. Le gaz dans son ensemble forme un état proposé théoriquement par Bardeen, Cooper et Schrieffer afin d'expliquer la supraconductivité de certains métaux à basse température. Un gap est ouvert dans le spectre des excitations possibles, c'est-à-dire qu'on ne peut créer une excitation dans le gaz dont l'énergie est inférieure à une valeur strictement positive, appelée le gap. Ce dernier est directement relié au caractère superfluide du gaz.
[modifier] Le crossover BEC-BCS
[modifier] Equipes de recherche produisant des gaz de fermions dégénérés
- Equipe de Deborah S. Jin (JILA, University of Colorado, USA): 40K refroidi sous la forme d'un mélange de deux états hyperfins
- Equipe de Christophe Salomon (ENS, Paris, France): 6Li refroidi sympathiquement avec du 7Li
- Equipe de Wolfgang Ketterle (MIT, USA) : 6Li refroidi sympathiquement avec du 23Na
- Equipe de Randall G. Hulet (Rice University, USA): 6Li refroidi sympathiquement avec du 7Li
- Equipe de John E. Thomas (JETLab, Duke University, USA) : 6Li refroidi sous la forme d'un mélange de deux états hyperfins dans un piège optique ultrastable
- Equipe de Rudi Grimm (Innsbruck, Autriche) : 6Li
- Equipe de Tilman Esslinger (Zurich, Suisse) : 40K
- Equipe d'Immanuel Bloch (Mainz, Allemagne): 40K
[modifier] Liens internes
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