Condensa di bose einstein
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- Cosetta Messina
Spieghiamo cos'è la condensa di Bose-Einstein, la sua origine, le caratteristiche, il modo in cui viene ottenuto e le sue applicazioni
Figura 1.- Nella condensa di Bose Einstein, i bosoni a bassa temperatura sono tutti mantenuti nello stato energetico più basso. Fonte: f. Zapata Cos'è la condensa di Bose Einstein?
La condensa di Bose Einstein (CBE) è uno stato di aggregazione della materia, così come i soliti stati: gassoso, liquido e solido, ma che si svolge a temperature estremamente basse, molto vicino allo zero assoluto.
È costituito da particelle chiamate bosoni, che a queste temperature si trovano nello stato quantico di energia inferiore, chiamate Stato fondamentale. Albert Einstein prevedeva questa circostanza nel 1924, dopo aver letto le opere inviate dal fisico indù Satyendra Bose sulle statistiche dei fotoni.
Non è facile ottenere in laboratorio le temperature necessarie per la formazione della condensa di Bose-Einstein, quindi abbiamo dovuto aspettare fino al 1995 per avere la tecnologia necessaria.
Quell'anno i fisici americani Eric Cornell e Carl Wieman (Università del Colorado) e poi il fisico tedesco Wolfgang Ketterle (MIT), sono riusciti a osservare la prima condensa di Bose-Einstein. Gli scienziati del Colorado hanno usato Rubido-87, mentre il ketterle lo ha raggiunto attraverso un gas estremamente diluito di atomi di sodio.
Grazie a questi esperimenti, che hanno aperto le porte a nuovi campi di ricerca nella natura dell'argomento, Ketterle, Cornell e Wieman hanno ricevuto il premio Nobel nel 2001.
Ed è che le temperature molto basse rendono possibile che gli atomi di un gas con determinate caratteristiche siano condotti uno stato così ordinato, che riescano ad acquisire tutte le stesse energie e quantità di movimento ridotte, qualcosa che non accade in materia ordinaria.
Caratteristiche di condensa di Bose-Einstein
Diamo un'occhiata alle caratteristiche principali della condensa di Bose-Einstein:
- La condensa di Bose-Einstein è prodotta in gas costituiti da atomi bosonici molto diluiti.
- Gli atomi nella condensa rimangono nello stesso stato quantico: lo stato energetico fondamentale o inferiore.
- Sono necessarie temperature estremamente basse, solo alcuni nano-kelvin sopra lo zero assoluto. Più bassa è la temperatura, il comportamento d'onda delle particelle è sempre più evidente.
- In linea di principio, la materia nello stato di condensa di Bose Einstein non esiste in natura, poiché fino ad oggi le temperature non sono state rilevate al di sotto di 3 K.
- Alcuni CBE hanno superconduttività e super fluidità, cioè la mancanza di opposizione al passaggio della corrente, nonché la viscosità.
- Gli atomi nella condensa, essendo tutti nello stesso stato quantico, presentano l'uniformità nelle loro proprietà.
Origine della condensa di Bose-Einstein
Quando hai un gas bloccato in un contenitore, di solito le particelle che lo compongono mantengono abbastanza distanza l'una dall'altra, interagendo molto poco, ad eccezione di collisioni occasionali tra di loro e con le pareti del contenitore. Da lì deriva il ben noto modello di gas ideale.
Tuttavia, le particelle sono in un'agitazione termica permanente e la temperatura è il parametro decisivo che definisce la velocità: a una temperatura più elevata, mossa più veloce.
E mentre la velocità di ciascuna particella può variare, la velocità media del sistema rimane costante a una data temperatura.
Fermioni e bosoni
Il seguente 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 rotazione semi-eccezionale, mentre i bosoni hanno uno spin intero, rendendo il loro comportamento statistico diverso.
Le fermioni amano essere diverse e quindi obbedire al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale non possono esserci due fermioni nell'atomo con lo stesso stato quantico. Questo è il motivo per cui gli elettroni si trovano in diversi orbitali atomici e quindi non occupano lo stesso stato quantico.
D'altra parte, i bosoni non aderiscono al principio di esclusione, quindi non hanno inconvenienti per occupare lo stesso stato quantico.
Doppia natura della materia
Un altro fatto chiave nella comprensione del CBE è la doppia natura della questione: onda e particelle allo stesso tempo.
Sia le fermioni che i bosoni possono essere descritti come un'onda con una certa estensione nello spazio. La lunghezza d'onda λ di questa ondata è correlata al suo quantità di moto o quantità di movimento P, Attraverso l'equazione di De Broglie:
Può servirti: elettrodinamica
Dove H è la costante di Planck, il cui valore è 6.62607015 × 10-3. 4 J.S.
Alle alte temperature predomina l'agitazione termica, il che significa che lo slancio P è grande e lunghezza d'onda λ è piccolo. Gli atomi mostrano così le loro proprietà come particelle.
Ma quando la temperatura scende, l'agitazione termica diminuisce e con essa lo slancio, originando che la lunghezza d'onda aumenta e le caratteristiche ondulate prevalgono. Pertanto, le particelle cessano di essere posizionate, perché le rispettive onde aumentano le loro dimensioni e si sovrappongono tra loro.
C'è una certa temperatura critica in base alla quale i bosoni finiscono per essere nello stato fondamentale, che è lo stato con l'energia più bassa (non è 0). Cioè quando si verifica la condensa.
Il risultato è che gli atomi bosonici non sono più distinguibili e il sistema diventa una sorta di super atomo, descritto da una funzione a onda singola. È equivalente a vederlo attraverso un potente obiettivo di aumento con cui puoi vedere i suoi dettagli.
Come si ottiene la condensa?
La difficoltà dell'esperimento risiede nel mantenere il sistema a temperature sufficientemente basse, in modo che la lunghezza d'onda di De Broglie sia elevata.
Gli scienziati del Colorado lo hanno raggiunto attraverso un sistema di raffreddamento laser, che consiste nel colpire il campione Atom frontale con sei travi di luce laser per fermarli 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 il più veloce per raffreddare ulteriormente il sistema.
Può servirti: leggi Kirchhoff
figura 2.- Distribuzione della velocità degli atomi RB nel CBE. Il picco bianco rappresenta il maggior numero di atomi, con velocità stimata di 0.5 mm/s. Fonte: Wikimedia Commons. Gli atomi confinati in questo modo sono riusciti a formare, per alcuni istanti, una piccola goccia di CBE, che è durata abbastanza tempo per essere registrato in un'immagine.
Applicazioni ed esempi
Le applicazioni CBE sono attualmente in pieno sviluppo e trascorreranno ancora un po 'di tempo prima.
Calcolo quantistico
Mantenere la coerenza nei computer quantistici non è un compito facile, quindi il CBE è stato proposto come mezzo per mantenere lo scambio di informazioni tra i singoli computer quantistici.
Riduzione della velocità della luce
La velocità della luce nel vuoto è una costante di natura, sebbene il suo valore in altri media, come in acqua, può essere diverso.
Grazie al CBE è possibile ridurre in gran parte la velocità della luce, fino a 17 m/s, secondo alcuni esperimenti. Questo è qualcosa che permetterà non solo ad approfondire ancora di più nello studio della natura della luce, ma il suo uso nel calcolo quantistico per archiviare le informazioni.
Orologi atomici di grande precisione
Gli atomi freddi consentono la creazione di orologi atomici di grande precisione, che subiscono ritardi minimi in lunghi periodi, dell'ordine di milioni di anni, qualità molto utili quando si sincronizzano i sistemi GPS.
Simulazione di processi cosmologici
Le forze atomiche che vengono generate nella condensa possono aiutare a simulare le condizioni in cui si verificano processi fisici all'interno di alcuni oggetti notevoli nell'universo, come le stelle dei neutroni e i buchi neri.
Riferimenti
- Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
- Chang, R. 2013. Chimica. Ultima edizione. McGraw Hill Education.
- Landsil. I cinque stati della materia. Recuperato da: Landsil.com.
- Il rapporto Qubit. La velocità di formazione della condensa di Bose-Einstein è aumentata, metodo di formazione semplificato. Estratto da: qubitreport.com.
- Tipler, p. 2008. Fisica moderna. 5 °. Modificare. W. H. Freeman & Company.