Identità perdute: il BEC a temperature inaspettate

File:Bose Einstein condensate.png

La distribuzione di velocità conferma l’esistenza di un nuovo stato della materia, il BEC appunto, in un gas di atomi di rubidio. (Photocredit: NIST/JILA/CU-Boulder).

CAMBRIDGE – Uno studio pubblicato su Nature Physics da un gruppo di ricerca coordinato dal Prof. Alexander L. Gaunt dimostra l‘esistenza del condensato di Bose-Einstein (BEC) anche a temperature superiori allo zero assoluto (– 273,15 °C;  – 459,67  °F). Vediamo anzitutto cos’è il condensato di Bose-Einstein (BEC). Che la luce si muova in pacchetti discreti (i cosiddetti quanti) è una conquista scientifica ottenuta con fatica. 

Nella seconda metà del 1920, Satyendra Nath Bose stava studiando proprio questa idea: per decidere quando due fotoni dovevano essere contati come identici o differenti, Bose elaborò alcune regole, oggi note come statistica di Bose (o statistica di Bose-Einstein). Bose incontrò molte resistenze da parte della comunità scientifica del suo tempo; tutto cambiò quando mandò i suoi lavori ad Albert Einstein che, a quel tempo, era già un famoso scienziato. Einstein non solo ne favorì la pubblicazione, ma suppose di estendere agli atomi quelle stesse regole in modo da capirne meglio il comportamento (si tenga presente che non tutti i tipi di atomi seguono le regole della statistica di Bose).

Le nuove equazioni confermavano che a temperature molto basse le vecchie regole non avevano alcun valore: se gli atomi venivano raffreddati a sufficienza accadeva qualcosa di inaspettato. Mentre, infatti, a temperature normali gli atomi stavano su molti livelli differenti,  a temperature molto basse una grande porzione di atomi improvvisamente precipitava nel più basso livello energetico (lo stato quantistico di più piccola energia). In questo stato inusuale della materia, i bosoni perdono la loro identità individuale e si comportano come un unico atomo molto grande. Questo atomo molto grande è ciò che chiamiamo condensato di Bose-Einstein (BEC). Diciamolo meglio: se si porta un insieme di fotoni ad una temperatura vicina allo zero assoluto, si ottiene un particolare stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein. E, aspetto ancor più significativo, il passaggio allo stato quantico di più bassa energia permette di vedere gli effetti quantistici su scala macroscopica.

Veniamo allo studio pubblicato su Nature Physics. I ricercatori spiegano che il BEC surriscaldato ricorda lo stato dell’acqua distillata, che resta liquida anche sopra i 100°, temperatura in cui l’acqua normalmente bolle. In entrambi i casi, la temperatura – definita come energia media per particella (bosone, acqua, etc.) – sale al di sopra della temperatura critica in cui si dovrebbe avere la transizione di fase, cosa che non accade. Nei BEC di acqua distillata l’inibizione della transizione di fase alla temperatura critica si verifica per diverse ragioni. In generale, esistono due tipi di transizioni di fase. L’ebollizione dell’acqua è una transizione di fase di primo ordine, e nell’acqua distillata può essere inibita perché, in assenza di impurità, l’acqua stessa diventa una barriera di energia che “protegge” il liquido dalla bollitura. Per questo motivo l’ebollizione di un BEC è una transizione di fase di secondo ordine: in questo caso, il surriscaldamento che porta all’ebollizione avviene perché la componente condensata (il BEC) e la restante componente non condensata si scindono ed evolvono come due distinti sistemi in equilibrio.

Il meccanismo è spiegato nel dettaglio. In equilibrio, un BEC può esistere solo al di sotto della temperatura critica di transizione. Se la temperatura aumenta verso il valore critico, la BEC dovrebbe gradualmente decadere nei suoi  componenti termici. Le particelle scorronotra i due componenti fino ad avere lo stesso potenziale chimico (la misura di quanta energia serve per aggiungere una particella a due componenti) o, in altre parole, fino a che non sono in equilibrio tra loro.

Una trappola ottica. I ricercatori hanno intrappolato il potassio-39 dimostrando che la forza delle interazioni può essere ridotta in modo da mantenere costante la temperatura delle due componenti (il flusso di particelle è rallentato e i loro componenti chimici separati). Questa condizione permette al BEC di mantenere un potenziale chimico più elevato rispetto a quello del componente termico circostante e, quindi, di sopravvivere al di sopra della sua temperatura di transizione. Quella appena descritta è la prima dimostrazione sperimentale della persistenza, per più di un minuto, di un BEC a temperature superiori a quella critica. Gli scienziati prevedono che l’estensione della vita di un BEC potrà avere diverse applicazioni. “In generale, i BEC atomici sono sempre più utilizzati per applicazioni come l’interferometria atomica e le misure di precisione, ma potrebbe anche trovare applicazioni nel trattamento delle informazioni nell‘informatica quantistica”, ha precisato R. P. Smith, autore di una precedente ricerca.

Resta da chiarire il meccanismo esatto di surriscaldamento: la cosa divertente è che il sistema è in equilibrio per alcuni aspetti (ad esempio, il BEC e la componente termiao hanno la stessa temperatura, il BEC ha una forma di equilibrio per il numero indicato di atomi condensati, etc.) e, allo stesso tempo, non è in equilibrio per altri aspetti (in primo luogo, il fatto che il numero di atomi condensati è molto più alto di quello previsto per stati in equilibrio). Evidenze di questo tipo sollevano nuovi interrogativi sul modo in cui si deve definire un sistema quantistico in equilibrio. (Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 10/04/2013)

Papers di riferimento:

R. P. Smith, et alii, Effects of interactions on the critical temperature of a trapped Bose gas, in “Physical Review  Letter” 106, 250403, 2011: DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.250403

Alexander L. Gaunt, et alii, A superheated Bose-condensed gas, in “ Nature Physics”, 2013: DOI: 10.1038/NPHYS2587

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