Condensato di Bose-Einstein: cos'è e come si ottiene

Un condensato di Bose-Einstein, in sigla BEC, è un gas di atomi raffreddato fino a poche centinaia di miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. A quella temperatura gli atomi smettono di comportarsi da individui: finiscono tutti nello stesso stato quantistico, e l’intero insieme è descritto da un’unica funzione d’onda, come se fosse un atomo solo. Per questo a volte si parla di «superatomo». Si legge anche «quinto stato della materia», ed è una dicitura comune.

Il Recap sui passaggi di stato racconta come la materia va da solido a liquido a gas. Qui il cambiamento riguarda un’altra cosa: lo stato quantistico in cui si trovano gli atomi.

Bosoni e fermioni

Le particelle con spin intero sono dette bosoni, quelle con spin semintero fermioni. A basse temperature i bosoni tendono a finire tutti nello stesso stato quantistico, quello di energia minima. I fermioni si evitano a vicenda: non possono occupare lo stesso stato, e quindi devono occuparne anche di più energetici.

Gli elettroni nei gusci degli atomi sono fermioni, ed è questo che spiega l’ordine della tavola periodica.

La teoria di Bose ed Einstein, 1924

Nel 1924 il fisico indiano S. N. Bose fece un calcolo statistico sulle particelle che da lui avrebbero preso il nome di bosoni, e in particolare sui fotoni. Mandò il lavoro a Einstein, che ne capì il valore, lo tradusse in tedesco e lo fece pubblicare.

Einstein andò oltre. Estese la teoria a particelle con massa e, in due articoli ravvicinati, previde che se abbastanza particelle si avvicinano e rallentano a sufficienza passano insieme allo stato di energia più bassa. Quello stato collettivo è il condensato. Il NIST colloca la previsione nel 1924.

Perché serve un freddo estremo

Secondo l’Accademia svedese delle scienze, il punto è la lunghezza d’onda associata agli atomi, la stessa idea delle onde di materia di de Broglie. Se un gas di atomi freddi è abbastanza denso, quella lunghezza diventa paragonabile alla distanza tra gli atomi: le onde di materia si sentono e coordinano il loro stato. Questa è la condensazione.

Con densità realistiche gli atomi devono muoversi di pochi millimetri al secondo. Corrisponde a temperature dell’ordine di 100 nanokelvin, un decimo di milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, che è -273,15 °C. Il materiale di partenza è un gas diluito di atomi alcalini.

Manifestazioni di tipo simile si erano già viste in sistemi più complicati. I superconduttori hanno coppie di elettroni e nessuna resistenza elettrica, i superfluidi nessun attrito interno.

Come si ottiene

Ci vogliono due raffreddamenti in sequenza. Il primo è il raffreddamento laser, proposto nel 1975 da Hänsch e Schawlow per gli atomi neutri: i fotoni vengono assorbiti solo se vanno incontro all’atomo, e così l’atomo rallenta. Il secondo è il raffreddamento per evaporazione, che lavora in una trappola solo magnetica. La strada, indicata da Wieman intorno al 1990, era proprio questa: laser in una trappola magneto-ottica, poi trappola magnetica con l’evaporazione.

Esempio pratico: pensa a una tazza di caffè che si raffredda. Le molecole più veloci lasciano il liquido, e l’energia media di quelle che restano scende. Nel condensato succede lo stesso con gli atomi: si lasciano uscire dalla trappola i più veloci e il gas rimasto è più freddo.

5 giugno 1995

Il gruppo di JILA, istituto congiunto di NIST e Università del Colorado a Boulder, guidato da Cornell e Wieman, raggiunse il limite di condensazione il 5 giugno 1995, alle 10:54. Partì da rubidio gassoso a temperatura ambiente, rallentato e catturato in una trappola di luce laser. Il raffreddamento laser portò gli atomi a circa 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto, ancora troppo caldo, con circa 10 milioni di atomi nella trappola. Nella trappola magnetica gli atomi si raffreddarono eliminando i più caldi. Servì un ultimo accorgimento: una trappola magnetica migliorata da Cornell, con il campo che gira, per non far sfuggire dal centro gli atomi più freddi. Si partì da circa 170 nK e, rendendo più efficace l’evaporazione, si ottenne un condensato puro a 20 nK.

Il risultato fu un condensato di circa 2.000 atomi di rubidio-87, durato da 15 a 20 secondi. Con una telecamera si vedeva una pallina di rubidio larga circa 20 micron.

Il NIST ricorda che la ricerca era durata 71 anni e che molti fisici la paragonavano alla ricerca del Santo Graal.

Cosa mostra il condensato

Ketterle lavorò in modo indipendente dal gruppo del Colorado, usando atomi di sodio, e pubblicò il suo condensato quattro mesi dopo quello di JILA. I suoi condensati avevano centinaia di volte più atomi, e questo permise di misurarne le proprietà.

Una di queste è l’interferenza. Due condensati distinti che si espandono l’uno nell’altro mostrano frange nette, segno di onde di materia coerenti.

Il Nobel per la fisica 2001 ha premiato la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein in gas diluiti di atomi alcalini e i primi studi sulle proprietà dei condensati. Secondo l’Accademia svedese, nell’universo non si trovano altrove le condizioni estreme di un BEC in gas diluiti.