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terça-feira, fevereiro 3

a meio caminho na pradaria de BEC-BSC 

traduzido livremente de "PHYSICS NEWS UPDATE" The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, Number 671, January 30, 2004, by Phillip F. Schewe, Ben Stein, and James Riordon


investigadores no colorado descobriram uma nova forma de matéria atómica, um condensado de fermiões diferente de tudo o que tinha sido visto antes_ na abordagem a este tópico, concepcionalmente difícil mas rico em física, vamos avançar por partes: fornecendo os conceitos de mecânica quântica, definindo a palavra "degenerescência", sumariando o novo estado atómico, e, finalmente, abordando as vantagens do novo estado_

1_ fundamentos quânticos_ ao explorar a paisagem exótica dos gases quânticos, os físicos têm dado muita atenção aos átomos bosónicos (átomos cujo spin - momento ângular intrínseco - total tem um valor inteiro, como 0, 1 ou 2)_ em 1995 os cientistas tiveram sucesso no arrefecimento de átomos bosónicos de forma que, num sentido quântico, os átomos se começaram a sobrepor, a tal ponto que não podiam ser distinguidos e se tinham, na prática, tornado parte de um única entidade quântica chamada condensado de bose-einstein (BEC)_ os fermiões (que possuem spins semi-inteiros, como 1/2 ou 3/2 ou 9/2), sejam partículas elementares como electrões e quarks, ou átomos completos (e ao determinar se um átomo é um bosão ou um fermião têm de se somar os spins de todos os protões, neutrões e electrões que o constituem), não se comportam como bosões_ o princípio da exclusão de pauli determina que dois fermiões idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico_ a maior parte da química na terra, e em qualquer outro lado, é determinada pela simples regra de pauli: os electrões preenchem as orbitais atómicas de tal forma que nenhuns dois electrões possuem exactamente os mesmos valores quânticos_ as orbitais parcialmente preenchidas determinam qual o tipo de afinidade química que o átomo manifesta_ note que átomos fermiónicos não estão impedidos de interagir em reacções químicas normais (internamente os átomos possuem diferentes configurações nuclear e electrónica)_ mas eles não podem entrar em grandes condensados quânticos do tipo BEC, onde os átomos de facto possuem os mesmos atributos quânticos_

2_ degenerescência_ o pauli está sempre de serviço, mas ele manifesta-se principalmente na determinação do estado quântico, como as orbitais dentro de um átomo ou no melaço congelado de um poço atómico ao nível de micro graus kelvin_ neste ambiente rarefeito, os bosões podem cair todos num único estado BEC_ tendo todos a mesma energia, esses átomos dizem-se degenerados_ com os fermiões é bastante diferente_ num certo ambiente quântico, sejam electrões a mover-se através de um cristal ou átomos fermiónicos congelados num poço, os fermiões são obrigados a preencher, um a um, todos os possíveis diferentes estados quânticos de energia, começando pelo nível mais baixo_ num diagrama de níveis de energia, os fermiões parece que estão pendurados nos degraus de uma escada, preenchendo cada um apenas um dos degraus_ (o degrau mais elevado é chamado a energia de fermi, e a temperatura a que corresponde essa energia é chamada a temperatura de fermi)_ um exemplo simples: os electrões livres num cristal metálico, mesmo à temperatura ambiente, são desta forma obrigados a assumir o conjunto das energias permitidas quanticamente_ esses electrões diz-se que constituem um gás de fermi degenerado_ no contexto dos fermiões, "degenerado" significa que as partículas preenchem a totalidade dos estados possíves de energia_ criando um tal gás de átomos fermiónicos degenerados provou ser mais difícil do que obter um gás de átomos bosónicos (BEC) degenerados_ de facto, um gás de fermi degenerado foi conseguido apenas de 1999, numa experiência por deborah jin e os seus colegas do NIST/JILA, o mesmo laboratório onde os novos resultados foram
conseguidos_ a propósito, apesar dos físicos assumirem há muito que o princípio de pauli se aplica a átomos (objectos compostos) tal como a electrões (partículas verdadeiramente elementares), foi apenas em trabalhos recentes que este facto foi demonstrado experimentalmente_

3_ novo estado da matéria_ fermiões, se os emparelharmos, podem tornar-se bosões_ e desta forma, os fermiões podem entrar aos pares num condensado quântico_ há no entanto um espectro completo de mecanismos de emparelhamento_ um extremo é o caso onde os átomos se emparelham de uma forma forte, depois do qual eles podem (como moléculas) colapsar num condensado de Bose Einstein (BEC)_ no outro extremo do espectro, os átomos podem emparelhar-se de uma forma fraca, ou ainda combinar-se num estado não ligado, mas correlacionado, análogo aos pares de electrões de cooper (BCS) que são a essência das correntes quânticas em supercondutores, ou os pares de átomos de hélio-3 que constituem um superfluido_ nos últimos meses vários laboratórios anunciaram a formação de condensados de moléculas ligadas fortemente_ agora deborah jin e os seus colegas cindy regal e marcus greiner, do NIST e da universidade do colorado, anunciaram a realização de grandes progressos no movimento no plano entre as alternativas de emparelhamento do BEC ao BCS_ o tipo de emparelhamento pode ser ajustado através da ateração subtil do valor de um campo magnético externo_ os investigadores do NIST, que arrefeceram átomos de potássio-40 até temperaturas de micro graus kelvin, estão na região de cruzamento: eles não estão no regime BEC porque o campo magnético aplicado não permite o tipo de emparelhamento necessário para obter um condensado BEC_ além disso eles podem afirmar que também não estão no regime BCS porque a intensidade da interacção entre os átomos é demasiado forte para o tipo do empararelhamento fraco de cooper, que ocorre na superconductividade ou nos superfluidos de hélio-3_ esta nova forma de condensado de matéria atómica não deve ser entendida apenas como um estado intermédio entre as alternativas de emparelhamento BEC (forte) e BCS (fraco)_ eric cornell (também no NIST mas não fazendo parte do grupo de jin), que recebeu o prémio nobel pela sua contribuição para a descoberta do BEC, descreve o novo estado no NIST como "um novo e dramático tipo de condensado fermiónico, basicamente emparelhamento de cooper no limite dos campos fortes"_

4_ avaliação_ um dos objectivos de prosseguir esta investigação é a possibilidade de
formar novos tipos de pares de cooper ou superfluidos, e, possivelmente, de produzir diferentes tipos de superconductividade à medida_ nesses gases de fermi frios as interacções (e a intensidade do emparelhamento) podem ser ajustados rodando simplesmente um manípulo (alterando o campo magnético), o que é mais do que se pode dizer acerca da superconductividade convencional, metálica ou cerâmica_ aqui existe a indicação de que este trabalho pode levar a superconductividade a uma temperatura mais elevada, mesmo à temperatura ambiente: no novo condensado fermiónico de potássio a razão entre a temperatura de transição (a temperatura a que a condensação de pares ocorre) e a temperatura de fermi é cerca de 1 para 5_ nos superconductores convencionais de baixas temperaturas a razão é de 1 para 1000 (ou mesmo 1000 000)_ mesmo para supeconductores de alta temperatura a razão é de 1 para 100_

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