vários férmions, que normalmente não podem ocupar o mesmo estado quântico, podem alcançar um estado conhecido como condensado fermiônico, onde todos eles alcançam a configuração de menor energia possível. Este é o sexto estado da matéria. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Quantos estados da matéria existem? Quando você era jovem, você provavelmente aprendeu sobre os três que são mais comuns à nossa experiência: sólido, líquido e gás. Todos eles ocorrem com regularidade aqui na superfície da Terra: rochas e gelos são sólidos, água e muitos óleos são líquidos, enquanto a atmosfera que respiramos é um gás. Estes três estados comuns da matéria são todos baseados em átomos neutros; restrições pelas quais o Universo não está limitado.
Se você bombardear qualquer átomo com energia suficiente, você chutará os elétrons para fora dele, criando um plasma ionizado: o quarto estado da matéria. Mas há dois estados adicionais de matéria que existem: Condensados de Bose-Einstein e Condensados Fermiónicos, o quinto e sexto estados da matéria. Atualmente, eles só são alcançáveis sob condições laboratoriais extremas, mas podem desempenhar um papel importante no próprio Universo. Eis porque.
significativamente pode resultar num sólido (gelo) ou num gás (vapor de água), dependendo da temperatura e da rapidez com que a transição ocorre. A temperaturas suficientemente altas, toda a matéria baseada em átomos se tornará um plasma ionizado: o quarto estado da matéria. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Aqui na Terra, tudo é composto de átomos. Alguns átomos ligam-se para formar moléculas; outros átomos existem como entidades autônomas. Independentemente do número de átomos em qualquer composto químico em particular – água, oxigénio, metano, hélio, etc. – a combinação de condições de temperatura e pressão determina se é um sólido, líquido ou gás.
A água, mais famosa, congela a baixas temperaturas e pressões modestas, torna-se líquida a pressões mais altas e/ou temperaturas mais altas, e torna-se um gás a temperaturas ainda mais altas ou a pressões muito baixas. Há uma temperatura crítica, porém, acima de cerca de 374 °C (705 °F), na qual esta distinção se decompõe. A baixas pressões, ainda se obtém um gás; a pressões mais elevadas, obtém-se um fluido supercrítico com propriedades tanto de gás como de líquido. Vá a temperaturas mais altas ainda, e você começará a ionizar suas moléculas, criando um plasma: aquele quarto estado da matéria.
algumas vezes, se as temperaturas/energia das partículas forem altas o suficiente, criará um estado temporário conhecido como plasma de quark-gluon: onde mesmo prótons e nêutrons individuais não podem se formar de forma estável. Este é o análogo nuclear de um plasma mais padrão, onde elétrons e núcleos não se ligam com sucesso para formar átomos estáveis e neutros. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Embora seja aí que termina a maioria das discussões sobre os estados da matéria, dificilmente é o fim da história científica. Na verdade, isso é apenas o fim da parte atómica da história. Para o resto, precisamos de nos aventurar no mundo subatómico: o mundo das partículas mais pequenas que o átomo. Já conhecemos uma delas: o electrão, que é uma das partículas fundamentais do Modelo Standard.
Os electrões são as partículas carregadas negativamente nos átomos que orbitam o núcleo atómico, as mesmas partículas que são expulsas em altas energias para formar um plasma ionizado. O núcleo atómico, entretanto, é constituído por prótons e neutrões, que por sua vez são constituídos por três quarks cada um. Dentro dos prótons e nêutrons, os gluons, assim como os pares quark-antiquark, são constantemente criados, destruídos, emitidos e absorvidos dentro de cada uma dessas partículas compostas. É um mundo subatômico confuso dentro de cada próton e nêutron.
seu spin, mas também os gluons, os quarks marinhos e os antiquarks, e o momento angular orbital. A repulsão eletrostática e a atrativa força nuclear forte, em tandem, são o que dá ao próton seu tamanho, e as propriedades da mistura dos quarks são necessárias para explicar o conjunto de partículas livres e compostas em nosso Universo. Os prótons individuais, em geral, comportam-se como fúmions, não como bósons. APS/Alan Stonebraker
Aqui está o ponto chave que nos levará ao quinto e sexto estados da matéria: cada partícula no Universo, não importa se é uma partícula fundamental ou composta, cai em uma de duas categorias.
- Férmion. Esta é uma partícula que, quando medimos o seu spin (ou momento angular intrínseco), obtemos sempre valores que são quantificados em valores semi-inteiros da constante de Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2, etc.
- Bóson. Esta é uma partícula que, quando medimos o seu spin, obtemos sempre valores que são quantificados em valores inteiros da constante de Planck: 0, ±1, ±2, etc.
É isso mesmo. Em todo o Universo conhecido, não existem partículas – fundamentais ou compostas – que se enquadrem em qualquer outra categoria. Tudo o que já medimos comporta-se como um férmion ou um bóson.
Modelo obedece a todo o tipo de leis de conservação, mas existem diferenças fundamentais entre as partículas fermiônicas e as antipartículas e bossônicas. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Electrões, sendo partículas fundamentais com giros de ±½, são obviamente fermiões. Prótons e nêutrons, cada um composto de três quarks cada um, também têm giros que só podem ser ±½, pois o giro de um quark sempre se oporá ao giro dos outros dois. No entanto, se você ligar um próton e um nêutron juntos, você cria uma partícula composta conhecida como deuteron: o núcleo atômico de um isótopo pesado de hidrogênio conhecido como deutério.
A deuteron, que é um férmion ligado junto com outro férmion, sempre se comporta como um bóson. (Porquê? Porque ±½ + ±½ só pode ser igual a -1, 0, ou +1: os valores de spin para um bóson). Quer estejamos a lidar com partículas fundamentais ou compostas, os férmions e os bósons exibem uma diferença chave entre si. Sim, seus giros são diferentes, mas essa diferença leva a uma consequência surpreendente: os férmions obedecem ao Princípio de Exclusão Pauli; os bósons não.
incluindo moléculas orgânicas e processos biológicos, só é possível por causa da regra de exclusão Pauli que governa os elétrons, proibindo qualquer dois deles de ocupar o mesmo estado quântico. Jenny Mottar
O Princípio de Exclusão Pauli é uma das principais pedras angulares que foi descoberta nos primeiros tempos da mecânica quântica. Ele afirma que dois férmions não podem ocupar exatamente o mesmo estado quântico um do outro.
Isto entra em jogo quando começamos a colocar elétrons em um núcleo atômico totalmente ionizado. O primeiro elétron afundará até a configuração de energia mais baixa possível: o estado de aterramento. Se você adicionar um segundo elétron, ele também tentará descer para o estado de aterramento, mas descobrirá que já está ocupado. Para minimizar a energia da sua configuração, ele cai no mesmo estado, mas precisa de ter o seu spin invertido: +½ se o primeiro electrão foi -½; -½ se o primeiro foi +½. Quaisquer outros elétrons precisam ir para um estado de energia cada vez maior; não há dois elétrons que possam ter a mesma configuração quântica exata no mesmo sistema físico.
correspondem a diferentes estados dentro de um átomo de hidrogênio. Devido ao spin = 1/2 natureza do elétron, apenas dois (+1/2 e -1/2 estados) elétrons podem estar em qualquer estado ao mesmo tempo. PoorLeno / Wikimedia Commons Mas isto não é verdade para os bósons. Você pode colocar tantos bósons na configuração de estado de terra quantos quiser, sem restrições. Se você criar as condições físicas certas – como resfriar um sistema de bósons e confiná-los ao mesmo local físico – não há limite para o número de bósons que você pode caber nesse estado de menor energia. Quando você atinge essa configuração, de muitos bósons todos no mesmo estado quântico de menor energia, você atingiu o quinto estado da matéria: um condensado de Bose-Einstein.
Helium, um átomo feito de dois prótons, dois nêutrons e quatro elétrons, é um átomo estável feito de um número par de férmions, e portanto se comporta como um bóson. A temperaturas suficientemente baixas, ele se torna um superfluido: um fluido com viscosidade zero e sem atrito entre ele mesmo ou qualquer recipiente com o qual interaja. Estas propriedades são uma consequência da condensação de Bose-Einstein. Embora o hélio tenha sido o primeiro bóson a alcançar este quinto estado da matéria, desde então, tem sido reproduzido para gases, moléculas, quase-partículas e até mesmo fótons. Ele continua sendo uma área ativa de pesquisa hoje.
antes (L), durante (meio) e depois (R) a transição para um estado BEC é completa. O gráfico mostra instantâneos tridimensionais sucessivos no tempo em que os átomos condensaram de áreas menos densas de vermelho, amarelo e verde para áreas muito densas de azul a branco. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermions, por outro lado, não podem estar todos no mesmo estado quântico. Estrelas anãs brancas e estrelas de nêutrons não colapsam por causa do Princípio de Exclusão de Pauli; elétrons em átomos adjacentes (em anões brancos) ou nêutrons que bordejam uns aos outros (em estrelas de nêutrons) não podem colapsar totalmente sob sua própria gravidade, por causa da pressão quântica fornecida pelo Princípio de Exclusão de Pauli. O mesmo princípio que é responsável pela estrutura atômica impede que essas configurações densas de matéria entrem em colapso até buracos negros; dois férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico.
Então, como se pode alcançar o sexto estado da matéria: um condensado fermiônico? Acredite ou não, a história dos condensados Fermionic remonta aos anos 50, com uma incrível descoberta do físico ganhador do Prêmio Nobel Leon Cooper. O termo que você vai querer lembrar tem o nome dele: Pares de Cooper.
electrões carregados irão alterar ligeiramente as configurações das cargas positivas no condutor, fazendo com que os electrões experimentem uma força relativa ligeiramente atractiva. Isto leva ao efeito de formar pares Cooper, a primeira forma de um condensado fermiônico já descoberto. Tem5psu / Wikimedia Commons
A baixas temperaturas, cada partícula tende para a sua configuração de menor energia, em estado de terra. Se você pegar um metal condutor e baixar suficientemente a temperatura, dois elétrons de giros opostos irão se emparelhar; esta pequena atração fará com que os elétrons se emparelhem como uma configuração menos energética e mais estável do que ter todos os seus elétrons se movendo individualmente.
Os condensados fermiônicos requerem temperaturas mais baixas do que os condensados de Bose-Einstein, mas eles também se comportam como um superfluido. Em 1971, o hélio-3 (com menos um nêutron do que o hélio padrão) se tornou um superfluido a temperaturas abaixo de 2,5 milicelvin, a primeira demonstração de um superfluido envolvendo apenas férmions. Em 2003, o laboratório da física Deborah Jin criou o primeiro condensado atômico Fermionic de base atômica, alavancando um forte campo magnético juntamente com temperaturas ultra-frias para coaxar os átomos neste estado procurado.
estados comuns da matéria, a temperaturas extremamente baixas, podem surgir condensados, com propriedades físicas únicas. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Além dos três estados padrão da matéria – sólido, líquido e gás – há um estado de maior energia de um plasma ionizado, surgindo onde átomos e moléculas têm muito poucos elétrons para serem eletricamente neutros. No entanto, a temperaturas ultra baixas, as duas classes fundamentais de partículas, os bósons e os férmions, podem, cada uma delas, condensar-se juntas de forma particular, criando condensados Bose-Einstein ou Fermionic, respectivamente: o quinto e o sexto estados da matéria.
Para criar um condensado Fermionic a partir da matéria, no entanto, é necessário atingir condições extraordinárias: temperaturas abaixo de 50 nanokelvin com um campo magnético variável no tempo aplicado. No entanto, no vasto abismo do espaço, é eminentemente possível que os neutrinos (feitos de férmions) ou matéria escura (que podem ser férmions ou bósons) se aglomerem para formar os seus próprios condensados. A chave para desbloquear um dos maiores mistérios do Universo pode estar no mais raro e mais extremo de todos os estados conhecidos da matéria.
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