Boson - Définition

Phénomènes montrant le comportement bosonique

Condensation de bosons – des atomes de rubidium – dans un état quantique unique lorsque l'on baisse la température.

Alors que les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli : « Un état quantique donné ne peut être occupé que par au plus un seul fermion », ce n'est pas le cas des bosons. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre quelconque de bosons. C'est même l'inverse qui se produit et les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné.

En conséquence, comme les photons ainsi que de nombreux atomes sont des bosons, dans certains cas ils peuvent s'accumuler dans le même niveau. Ceci permet d'expliquer :

• le rayonnement du corps noir, qui s'explique par la statistique des photons ;
• la population macroscopique d'un mode unique de photon dans un laser ;
• le groupement des photons lors de leur détection (expérience de Hanbury-Brown et Twiss)
• la transition de phase vers un état cohérent à basse température, c'est-à-dire dans lequel deux parties du système puissent interférer. Une telle transition de phase est observée dans différents systèmes :
  • dans les gaz atomiques dilués, qui sont l'exemple le plus proche de la condensation de Bose-Einstein d'un gaz parfait de bosons envisagée initialement par Bose et Einstein,
  • dans l'Hélium 4 qui devient superfluide à basse température,
  • dans certains métaux qui deviennent supraconducteurs à basse température

Dans ces deux derniers cas, les interactions entre particules sont fortes et l'état fondamental dans lequel se développe le condensat est très différent de l'état fondamental du système en l'absence de condensat. En particulier, il existe de fortes corrélations entre les atomes.

Bosons composites

Les particules composées de particules plus élémentaires, comme par exemple les atomes ou le proton, peuvent être des fermions ou des bosons, selon leur spin total (entier pour les bosons, demi-entier pour les fermions).

Exemples de bosons composites :

• atome d'hélium 4
• état de deux électrons formant une paire de Cooper dans les matériaux supraconducteurs
• exciton
• polariton