La materia si può trovare in vari stati aggregati, tra i quali troviamo solidi, gas e liquidi; esistono tuttavia altri tipi di stati meno noti, uno dei quali è noto come Condensato di Bose-Einstein, considerato da molti chimici, scienziati e fisici come il quinto stato della materia.
In questo articolo vi racconteremo cos'è il condensato di Bose-Einstein, le sue caratteristiche, le sue applicazioni e molto altro.
Cos'è il condensato di Bose-Einstein
Un condensato di Bose-Einstein (BEC) è uno stato aggregato della materia, come i soliti stati: gassoso, liquido e solido, ma Si verifica a temperature estremamente basse, molto vicine allo zero assoluto.
Consiste di particelle chiamate bosoni che, a queste temperature, risiedono nello stato quantico di energia più bassa noto come stato fondamentale. Albert Einstein lo predisse nel 1924 dopo aver letto un articolo sulla statistica dei fotoni inviatogli dal fisico indiano Satyendra Bose.
Non è facile ottenere in laboratorio le temperature necessarie per formare i condensati di Bose-Einstein, motivo per cui fino al 1995 non era possibile disporre della tecnologia necessaria. Quell'anno, i fisici americani Eric Cornell e Carl Wieman e il fisico tedesco Wolfgang Ketterle riuscirono a osservare i primi condensati di Bose-Einstein. Gli scienziati del Colorado usarono il rubidio-87, mentre Keitel lo ottenne attraverso un gas altamente diluito di atomi di sodio.
Poiché questi esperimenti hanno aperto la porta a un nuovo campo di studio delle proprietà della materia, Kettler, Cornell e Wieman hanno ricevuto il premio Nobel nel 2001. È proprio a causa della temperatura estremamente bassa che gli atomi di gas con determinate proprietà formano uno stato ordinato, tutte riescono ad acquisire la stessa energia e quantità di moto ridotte, cosa che non avviene nella materia ordinaria.
caratteristiche principali
Come accennato in precedenza, la materia non solo ha tre stati fondamentali di liquido, solido e gas, ma al contrario, c'è un quarto e un quinto stato che sono plasmatici e ionizzati. Un condensato di Bose-Einstein è uno di questi stati e presenta diverse caratteristiche:
- È uno stato aggregato costituito da un insieme di bosoni che sono particelle elementari.
- È considerato il quinto stato di aggregazione che i materiali possono assumere.
- È stato osservato per la prima volta nel 1995, quindi è piuttosto nuovo.
- Ha un processo di condensazione vicino allo zero assoluto.
- È super fluido, il che significa che ha la capacità della sostanza di eliminare l'attrito.
- È superconduttore e ha resistenza elettrica nulla.
- È anche conosciuto come un cubetto di ghiaccio quantistico.
Origine del condensato di Bose-Einstein
Quando un gas è racchiuso in un contenitore, le particelle che compongono il gas sono normalmente mantenute ad una distanza sufficiente l'una dall'altra in modo che vi sia una minima interazione, a parte l'occasionale collisione tra loro e con le pareti del contenitore. Da qui deriva il noto modello dei gas ideali.
Tuttavia, le particelle sono in agitazione termica permanente e la temperatura è il parametro decisivo per la velocità: maggiore è la temperatura, più velocemente si muovono. Sebbene la velocità di ciascuna particella possa variare, la velocità media del sistema rimane costante a una data temperatura.
Il prossimo fatto importante è che la materia consiste di due tipi di particelle: fermioni e bosoni, distinti dal loro spin (momento angolare intrinseco), che sono completamente di natura quantistica. Ad esempio, gli elettroni sono fermioni con spin semi-interi, mentre i bosoni hanno spin interi, il che rende diverso il loro comportamento statistico.
I fermioni amano essere diversi e quindi obbedire al principio di esclusione di Pauli, secondo cui due fermioni in un atomo non possono avere lo stesso stato quantico. Questo è il motivo per cui gli elettroni si trovano in orbitali atomici diversi e quindi non occupano lo stesso stato quantico.
I bosoni, d'altra parte, non obbediscono al principio di repulsione e quindi non hanno obiezioni a occupare lo stesso stato quantico. La parte difficile dell'esperimento è mantenere il sistema sufficientemente freddo 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 prevede di colpire frontalmente campioni atomici con sei raggi laser, facendoli rallentare improvvisamente e quindi ridurre notevolmente i loro disturbi termici.
Gli atomi più lenti e più freddi sono intrappolati nel campo magnetico, consentendo agli atomi più veloci di fuggire per raffreddare ulteriormente il sistema. Gli atomi confinati in questo modo sono riusciti a formare un piccolo grumo del condensato di Bose-Einstein per un breve periodo, che è durato abbastanza a lungo da essere registrato in un'immagine.
applicazioni
Una delle applicazioni più promettenti del condensato di Bose-Einstein è in la realizzazione di dispositivi di precisione per la misura del tempo e la rilevazione delle onde gravitazionali. Poiché gli atomi in un condensato si muovono come una singola entità, sono molto più accurati degli orologi atomici convenzionali e possono essere utilizzati per misurare il tempo con una precisione senza precedenti.
Un altro aspetto in cui questo quinto stato della materia può essere applicato è nel calcolo quantistico, che potrebbe consentire la creazione di computer molto più potenti ed efficienti di quelli attuali. Gli atomi in un condensato possono essere usati come qubit, gli elementi costitutivi di base di un computer quantistico, e le loro proprietà quantistiche potrebbero consentire calcoli molto più rapidi e accurati di quelli possibili con i computer convenzionali. Ecco perché di questi tempi si parla molto di computer quantistici.
Inoltre, il condensato di Bose-Einstein viene utilizzato anche nella ricerca sulla fisica dei materiali e nella creazione di nuovi materiali con proprietà straordinarie. Ad esempio, è stato utilizzato per creare materiali superconduttori che potrebbero rivoluzionare l'industria elettronica e consentire la creazione di dispositivi molto più efficienti e potenti.
Spero che con queste informazioni possiate saperne di più sul condensato di Bose-Einstein, le sue caratteristiche e applicazioni.