Il condensato di Bose Einstein (CBE) è uno stato di aggregazione della materia, proprio come i soliti stati: gassoso, liquido e solido, ma che avviene a temperature estremamente basse, molto prossime allo zero assoluto.
È costituito da particelle chiamate bosoni, che a queste temperature si trovano nello stato quantico a più bassa energia, chiamato stato fondamentale. Albert Einstein predisse questa circostanza nel 1924, dopo aver letto i documenti inviati dal fisico indù Satyendra Bose sulle statistiche dei fotoni..
Non è facile ottenere le temperature necessarie in laboratorio per la formazione del condensato di Bose-Einstein, quindi è stato necessario attendere il 1995 per avere la tecnologia necessaria.
Quell'anno i fisici nordamericani Eric Cornell e Carl Wieman (Università del Colorado) e più tardi il fisico tedesco Wolfgang Ketterle (MIT), riuscirono ad osservare i primi condensati di Bose-Einstein. Gli scienziati del Colorado hanno usato il rubidio-87, mentre Ketterle lo ha fatto attraverso un gas altamente diluito di atomi di sodio..
Grazie a questi esperimenti, che hanno aperto le porte a nuovi campi di ricerca sulla natura della materia, Ketterle, Cornell e Wieman hanno ricevuto il Premio Nobel nel 2001..
Ed è che le temperature molto basse consentono agli atomi di un gas con determinate caratteristiche di formare uno stato così ordinato che riescono tutti ad acquisire la stessa energia ridotta e quantità di movimento, cosa che non accade nella materia ordinaria..
Diamo un'occhiata alle principali caratteristiche del condensato di Bose-Einstein:
Quando si ha un gas racchiuso in un contenitore, normalmente le particelle che lo compongono mantengono una distanza sufficiente l'una dall'altra, interagendo pochissimo, salvo occasionali collisioni tra di esse e con le pareti del contenitore. Da lì deriva il noto modello del gas ideale.
Tuttavia, le particelle sono in agitazione termica permanente, e la temperatura è il parametro decisivo che definisce la velocità: più alta è la temperatura, più velocemente si muovono..
E mentre la velocità di ciascuna particella può variare, la velocità media del sistema rimane costante a una data temperatura..
Il prossimo fatto importante è che la materia è composta da due tipi di particelle: fermioni e bosoni, differenziati per spin (momento angolare intrinseco), una qualità interamente quantistica..
L'elettrone, ad esempio, è un fermione con spin semi-intero, mentre i bosoni hanno uno spin intero, il che rende diverso il loro comportamento statistico..
Ai fermioni piace essere diversi ed è per questo che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale non possono esserci due fermioni nell'atomo con lo stesso stato quantistico. Per questo motivo gli elettroni si trovano in diversi orbitali atomici e quindi non occupano lo stesso stato quantistico.
D'altra parte, i bosoni non aderiscono al principio di esclusione, quindi non hanno problemi ad occupare lo stesso stato quantistico.
Un altro fatto fondamentale per comprendere CBE è la duplice natura della materia: onda e particella allo stesso tempo..
Sia i fermioni che i bosoni possono essere descritti come un'onda con una certa estensione nello spazio. Lunghezza d'onda λ di questa onda è correlata alla sua quantità di moto o quantità di moto p, attraverso l'equazione di De Broglie:
Dove h è la costante di Planck, il cui valore è 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
A temperature elevate predomina l'agitazione termica, il che significa che la quantità di moto p è grande e la lunghezza d'onda λ è piccolo. Gli atomi mostrano quindi le loro proprietà come particelle.
Ma quando la temperatura scende, l'agitazione termica diminuisce e con essa la quantità di moto, facendo aumentare la lunghezza d'onda e prevalendo le caratteristiche dell'onda. Pertanto, le particelle non sono più localizzate, perché le rispettive onde aumentano di dimensione e si sovrappongono l'una all'altra..
C'è una certa temperatura critica sotto la quale i bosoni finiscono nello stato fondamentale, che è lo stato con l'energia più bassa (non è 0). Questo è quando si verifica la condensa.
Il risultato è che gli atomi bosonici non sono più distinguibili e il sistema diventa una sorta di superatomo, descritto da una singola funzione d'onda. Equivale a vederlo attraverso una potente lente d'ingrandimento con cui si possono apprezzare i suoi dettagli.
La difficoltà dell'esperimento sta nel mantenere il sistema a temperature sufficientemente basse in modo che la lunghezza d'onda di de Broglie rimanga alta..
Gli scienziati del Colorado hanno ottenuto questo risultato utilizzando un sistema di raffreddamento laser, che consiste nel colpire frontalmente il campione di atomi con sei fasci di luce laser per rallentarli bruscamente e quindi ridurre drasticamente la loro agitazione termica..
Quindi gli atomi più freddi e più lenti sono stati intrappolati da un campo magnetico, lasciando sfuggire quelli più veloci per raffreddare ulteriormente il sistema..
Gli atomi confinati in questo modo sono riusciti a formare, per brevi istanti, una minuscola goccia di CBE, che è durata abbastanza a lungo da essere registrata in un'immagine..
Le applicazioni CBE sono attualmente in pieno sviluppo e ci vorrà ancora del tempo prima che si concretizzino..
Mantenere la coerenza nei computer quantistici non è un compito facile, motivo per cui i CBE sono stati proposti come mezzo per mantenere lo scambio di informazioni tra i singoli computer quantistici..
La velocità della luce nel vuoto è una costante della natura, sebbene il suo valore in altri mezzi, come l'acqua, possa essere diverso.
Grazie ai CBE è possibile ridurre notevolmente la velocità della luce, fino a 17 m / s, secondo alcuni esperimenti. È qualcosa che non solo ci consentirà di approfondire lo studio della natura della luce, ma anche il suo utilizzo nell'informatica quantistica per memorizzare le informazioni.
Gli atomi freddi consentono la creazione di orologi atomici altamente precisi, che subiscono ritardi minimi per lunghi periodi dell'ordine di milioni di anni, qualità molto utili durante la sincronizzazione dei sistemi GPS..
Le forze atomiche generate nella condensa possono aiutare a simulare le condizioni in cui avvengono i processi fisici all'interno di alcuni oggetti notevoli nell'universo, come le stelle di neutroni e i buchi neri..
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