Gaz de fermions dégénéré - Définition
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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.
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-dire forment des « molécules ». Ces dernières ont un comportement bosonique et peuvent donc former un condensat de Bose-Einstein, comprenant environ 500 000 molécules à une température de 50 nK.
Les gaz de fermions déséquilibrés
Le cas où le nombre d'atomes dans un état de spin diffère du nombre d'atomes dans l'autre état de spin est encore plus complexe, étant donné que la plupart des théories existantes concernant les gaz de fermions en interaction reposent sur la possibilité d'apparier les fermions d'états internes différents. Le groupe de W. Ketterle a mis en évidence la limite de Clogson-Chandrasekhar, c'est-à-dire le déséquilibre de populations critique qui détruit la superfluidité du gaz, même à température nulle.
La transition BEC-BCS
Dans le régime intermédiaire entre le condensat de molécules et l'état BCS qui sont deux cas limites simplement descriptibles, le gaz forme un état complexe à N corps fortement intriqué. Les théories de type champ moyen décrivent qualitativement le comportement du gaz mais échouent à faire des prédictions quantitatives. Seules les simulations numériques de type Monte Carlo parviennent à décrire précisément les propriétés du gaz.
Ce régime est atteint expérimentalement en exploitant le phénomène de résonance de Feshbach. En plongeant le gaz dans un champ magnétique adéquat, la force des interactions entre atomes est choisie par l'expérimentateur. Selon le champ imposé, on peut se placer dans le régime BEC, BCS, ou intermédiaire.
A basse température on observe une transition de phase vers un état superfluide et l'apparition d'un gap dans les excitations possibles du fluide ; cependant, contrairement à la transition BCS, le gap apparaît à une température plus haute que la superfluidité. Ces deux notions sont donc clairement distinctes.
En plus de la motivation théorique de compréhension d'un système quantique complexe modèle, ce système présente un caractère superfluide particulièrement robuste. En effet, la température de transition de phase entre l'état normal et l'état superfluide est haute, de l'ordre de la température de Fermi, et la vitesse critique de Landau, vitesse limite du superfluide avant de perdre sa superfluidité, l'est aussi. Son étude pourrait donc éclaircir la physique des superfluides à haute température critique, comme les supraconducteurs à haute température critique. Elle pourrait aussi s'appliquer à d'autres systèmes contenant des fermions en interaction forte, comme les étoiles à neutrons et les noyaux atomiques.
