Hélium, boson et fermion

L'hélium 4 possède 4 nucléons de spin ½ et 2 électrons de spin ½ . Quels que soient l'arrangement des spins, la somme totale donne un spin entier. C'est un boson.

L'hélium 3 possède 3 nucléons de spin ½ et 2 électrons de spin ½ . Quels que soient l'arrangement des spins, la somme totale donne un spin demi-entier. C'est un fermion.

Lorsqu'on descend en température, la minimisation de l'énergie impose que toutes les particules aillent sur le niveau de plus basse énergie possible. Ainsi pour l'élium 4 qui est un boson, les atomes peuvent se mettre tous sur le même niveau d'énergie le plus bas. On parle alors de condensation de Bose-Einstein proposée par ces auteurs en 1925.

En revanche, ce mécanisme n'est absolument pas possible avec l'hélium 3 qui est un fermion et qui obéit donc à la règle d'exclusion de Pauli. Une fois le niveau le plus bas rempli, il faut alors remplir le niveau immédiatement au-dessus en énergie pour le second, etc...