¿Son fermiones y bosones fundamentalmente diferentes?

Si dos átomos se diferencian únicamente por el espín de sus núcleos, entonces sus propiedades individuales serán casi idénticas, pero sus propiedades colectivas serán extremadamente diferentes.

Los químicos a menudo consideran átomos individuales (o, más a menudo, moléculas). En el caso de los átomos individuales de hidrógeno y deuterio, sus propiedades electrónicas son idénticas (excepto por la dispersión hiperfina de sus niveles de energía electrónica debido al acoplamiento espín-espín entre los electrones y los núcleos). En términos prácticos, la única diferencia importante es la diferencia de masa debida al neutrón extra.

Pero una vez que junta un montón de ellos y baja la temperatura lo suficiente como para que los efectos cuánticos (específicamente la ocupación múltiple de niveles de energía) se vuelvan significativos, sus propiedades de muchos cuerpos extremadamente diferentes se manifiestan. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno neutros son bosones y, en principio, pueden condensarse según Bose-Einstein, mientras que los átomos de deuterio neutro son fermiones y, en cambio, formarán un gas de Fermi libre (en una aproximación decente), que tiene propiedades extremadamente diferentes. Por eso es extremadamente importante que los experimentadores de átomos fríos que intentan formar condensados ​​de Bose-Einstein obtengan los isótopos correctos de los átomos que están tratando de condensar.

para químico,${}^3\mathrm{He}$y${}^4\mathrm{He}$son sólo dos isótopos del mismo elemento. Pero el hecho de que uno sea un fermión y el otro un bosón es muy importante en la criogenia:

Si toma líquido${}^4\mathrm{He}$a 4.2K y lo bombeas, obtendrás un superfluido de${}^4\mathrm{He}$con una temperatura superconductora/líquida de 1,4K. Este superfluido es notable (como el efecto Foutain).

Si haces lo mismo con${}^3\mathrm{He}$, no obtendrá este superfluido, sino algún otro comportamiento (líquido Fermi bajo ciertas circunstancias) que no tiene las propiedades del superfluido (como el efecto fuente, por ejemplo).

Editar: solo para poner el número, aquí está el diagrama de dos fases a baja temperatura de${}^4\mathrm{He}$y${}^3\mathrm{He}$. Como puedes ver, son bastante diferentes tanto en aspecto como en alcance. Cabe señalar que el superfluido entra en fase${}^3\mathrm{He}$son condensación de pares y no condensación de átomos de helio.

Diagrama de fase de helio 4:

Diagrama trifásico de helio:

Fuente de los diagramas de fase: LTL/Universidad Tecnológica de Helsinki .

Tomemos otro par de partículas muy similares : un átomo de helio 4 y un átomo de helio 3. En la mayoría de las circunstancias, apenas hay diferencia entre ellos, pero una vez que comenzamos a observar una situación en la que importa la naturaleza fermiónica/bosónica, es decir, la superfluidez, descubrimos que existe una gran diferencia entre ellos.

En principio, el hidrógeno y el deuterio mostrarían diferencias similares, aunque hasta donde yo sé, no se ha observado de manera concluyente que ninguno forme un superfluido.

La distinción fermión/bosón solo importa en circunstancias en las que hay una gran diferencia entre las distribuciones de Fermi-Dirac y Bose-Einstein. En la vida cotidiana, este no suele ser el caso, ya que a altas energías ambas distribuciones se aproximan a la distribución de Boltzmann y ambas se comportan de manera similar.