CONDENSATO DI BOSE-EINSTEIN: PROPRIETÀ E APPLICAZIONI - FISICO - 2024

Il condensato di Bose-Einstein è uno stato della materia che si verifica in alcune particelle a temperature vicine allo zero assoluto. Per molto tempo si è pensato che gli unici tre possibili stati di aggregazione della materia fossero solido, liquido e gas.

Quindi fu scoperto il quarto stato: quello del plasma; e il condensato di Bose-Einstein è considerato il quinto stato. La proprietà caratteristica è che le particelle nel condensato si comportano come un grande sistema quantistico piuttosto che come fanno normalmente (come un insieme di sistemi quantistici individuali o come un raggruppamento di atomi).

In altre parole, si può dire che l'intero insieme di atomi che compongono il condensato di Bose-Einstein si comporta come se fosse un singolo atomo.

Origine

Come molte delle più recenti scoperte scientifiche, l'esistenza del condensato è stata teoricamente dedotta prima che ci fossero prove empiriche della sua esistenza.

Così, furono Albert Einstein e Satyendra Nath Bose a predire teoricamente questo fenomeno in una pubblicazione congiunta negli anni 1920. Lo fecero prima per i fotoni e poi per ipotetici atomi gassosi.

La dimostrazione della sua reale esistenza non era stata possibile fino a pochi decenni fa, quando era possibile raffreddare un campione a temperature sufficientemente basse per verificare che quanto previsto dalle equazioni fosse vero.

Satyendra Nath Bose

Ottenere

Il condensato di Bose-Einstein è stato ottenuto nel 1995 da Eric Cornell, Carlo Wieman e Wolfgang Ketterle che, grazie ad esso, finirebbero per condividere il Premio Nobel per la Fisica 2001.

Per ottenere il condensato di Bose-Einstein sono ricorsi a una serie di tecniche sperimentali di fisica atomica, con le quali sono riusciti a raggiungere una temperatura di 0,00000002 gradi Kelvin sopra lo zero assoluto (una temperatura molto inferiore alla temperatura più bassa osservata nello spazio). .

Eric Cornell e Carlo Weiman hanno utilizzato queste tecniche su un gas diluito costituito da atomi di rubidio; da parte sua, Wolfgang Ketterle li applicò poco dopo sugli atomi di sodio.

bosoni

Il nome bosone è usato in onore del fisico di origine indiana Satyendra Nath Bose. Nella fisica delle particelle vengono considerati due tipi fondamentali di particelle elementari: bosoni e ferminioni.

Ciò che determina se una particella è un bosone o un fermione è se il suo spin è intero o mezzo intero. In definitiva, i bosoni sono le particelle incaricate di trasmettere le forze di interazione tra i fermioni.

Solo le particelle bosoniche possono avere questo stato di condensato di Bose-Einstein: se le particelle che vengono raffreddate sono fermioni, ciò che si ottiene viene chiamato liquido di Fermi.

Questo perché i bosoni, a differenza dei fermioni, non devono soddisfare il principio di esclusione di Pauli, che afferma che due particelle identiche non possono trovarsi nello stesso stato quantistico allo stesso tempo.

Tutti gli atomi sono lo stesso atomo

In un condensato di Bose-Einstein tutti gli atomi sono assolutamente uguali. In questo modo, la maggior parte degli atomi nel condensato si trovano allo stesso livello quantistico, discendendo al livello di energia più basso possibile.

Condividendo questo stesso stato quantistico e avendo tutti la stessa energia (minima), gli atomi sono indistinguibili e si comportano come un singolo "superatomo".

Proprietà

Il fatto che tutti gli atomi abbiano proprietà identiche presuppone una serie di certe proprietà teoriche: gli atomi occupano lo stesso volume, la luce diffusa dello stesso colore e un mezzo omogeneo è costituito, tra le altre caratteristiche.

Queste proprietà sono simili a quelle del laser ideale, che emette una luce coerente (spaziale e temporale), uniforme, monocromatica, in cui tutte le onde e i fotoni sono assolutamente uguali e si muovono nella stessa direzione, idealmente no dissipare.

applicazioni

Le possibilità offerte da questo nuovo stato della materia sono molte, alcune davvero sorprendenti. Tra le attuali o in fase di sviluppo, le applicazioni più interessanti dei condensati di Bose-Einstein sono le seguenti:

- Il suo utilizzo insieme ai laser atomici per creare nanostrutture di alta precisione.

- Rilevazione dell'intensità del campo gravitazionale.

- Realizza orologi atomici più precisi e stabili di quelli attualmente esistenti.

- Simulazioni su piccola scala per lo studio di alcuni fenomeni cosmologici.

- Applicazioni della superfluidità e della superconduttività.

- Applicazioni derivate dal fenomeno noto come luce lenta o luce lenta; per esempio, nel teletrasporto o nel promettente campo dell'informatica quantistica.

- Approfondimento della conoscenza della meccanica quantistica, effettuando esperimenti più complessi e non lineari, nonché verifica di alcune teorie di recente formulazione. I condensati offrono la possibilità di ricreare nei laboratori fenomeni che avvengono ad anni luce di distanza.

Come si può vedere, i condensati di Bose-Einstein possono essere utilizzati non solo per sviluppare nuove tecniche, ma anche per perfezionare alcune tecniche già esistenti.

Non invano offrono grande precisione e affidabilità, il che è possibile grazie alla loro coerenza di fase nel campo atomico, che facilita un grande controllo del tempo e delle distanze.

Pertanto, i condensati di Bose-Einstein potrebbero essere rivoluzionari come lo era una volta il laser stesso, poiché hanno molte proprietà in comune. Tuttavia, il grosso problema perché ciò accada risiede nella temperatura alla quale vengono prodotti questi condensati.

Quindi, la difficoltà sta sia nella complessità di ottenerli sia nella loro costosa manutenzione. Per tutti questi motivi, attualmente la maggior parte degli sforzi si concentra principalmente sulla sua applicazione alla ricerca di base.

Condensati di Bose-Einstein e fisica quantistica

La dimostrazione dell'esistenza dei condensati di Bose-Einstein ha offerto un nuovo importante strumento per lo studio di nuovi fenomeni fisici in aree molto diverse.

Non c'è dubbio che la sua coerenza a livello macroscopico faciliti sia lo studio che la comprensione e la dimostrazione delle leggi della fisica quantistica.

Tuttavia, il fatto che per raggiungere questo stato della materia siano necessarie temperature prossime allo zero assoluto è un grave inconveniente per sfruttare al massimo le sue incredibili proprietà.

Riferimenti

1. Bose - Condensato di Einstein (nd). Su Wikipedia. Estratto il 6 aprile 2018 da es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein condensa. (nd) In Wikipedia. Estratto il 6 aprile 2018 da en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell e Carl Wieman (1998). Condensati di Bose-Einstein, "Ricerca e scienza".
4. A. Cornell e CE Wieman (1998). "Il condensato di Bose - Einstein". Scientific American.
5. Bosone (nd). Su Wikipedia. Estratto il 6 aprile 2018 da es.wikipedia.org.
6. Bosone (nd). Su Wikipedia. Estratto il 6 aprile 2018 da en.wikipedia.org.