Condensato di Bose Einstein: il quinto stato della materia

Un condensato di Bose Einstein è indicato spesso come il “quinto stato della materia” che sussiste quando le particelle, chiamate bosoni, subiscono un raffreddamento che le porta a una temperatura molto vicina allo zero assoluto che è pari a -273,15 gradi Celsius.

Sappiamo che le particelle che compongono la materia si dividono in due grandi gruppi: i fermioni e i bosoni.

I fermioni prendono il nome dal fisico italiano Enrico Fermi, mentre i bosoni, che seguono delle leggi quantistiche diverse, prendono il nome dal fisico bengalese Satyendra Nath Bose.

Immaginiamo di prendere un gas di bosoni che non interagiscono tra loro e di metterli in un ambiente controllato. Ognuno di questi bosoni avrà una sua velocità, una sua posizione, un suo spin e via discorrendo.

Queste caratteristiche fisiche non sono determinate, ma sono descritte da una funzione di probabilità chiamata funzione d’onda. Ogni bosone si troverà in uno stato fisico diverso e sarà quindi descritto da una funzione d’onda diversa.

Man mano che abbassiamo la temperatura, ognuno dei bosoni nel gas diminuisce la sua velocità e di conseguenza la sua energia. I fisici esprimono questo concetto dicendo che ogni bosone si porta in uno stato quantistico con minore energia.

Quando un certo numero di bosoni vengono portati a temperature estremamente basse non posseggono energia sufficiente per muoversi in posizioni che potrebbero causare l’interferenza reciproca delle loro caratteristiche quantistiche distinte. Nasce cosi un condensato di Bose Einstein.

Quello che accade è essenzialmente una transizione di fase: la formazione verso uno stato della materia molto particolare in cui le particelle si comportano come una particella unica.

Il condensato di Bose Einstein è, semplificando parecchio, una specie di “superparticella” i cui effetti quantistici, che solitamente si manifestano nell’infinitamente piccolo, possono essere studiati anche a livello macroscopico.

Senza differenze di energia non si possono separare le particelle, il condensato di Bose Einstein risultante condivide la stessa identità quantistica, comportandosi effettivamente una singola nuvola di “superparticelle”, che opera secondo le proprie regole. 

Come è stato scoperto il condensato di Bose Einstein?

Quando la fisica quantistica compiva i primi passi, all’inizio del XX secolo, il fisico e matematico indiano Satyendra Nath Bose ha reinterpretato le statistiche sulla relazione tra luce e temperatura applicando gli ultimi progressi nella teoria quantistica.

Dopo aver verificato i risultati ottenuti con Albert Einstein, la nuova interpretazione di Bose oggi è nota come statistica di Bose-Einstein, un concetto diventato fondamentale in matematica che ci permette di distinguere alcune particelle l’una dall’altra quando si trovano in questa nube di super particelle o condensato di Bose Einstein.

Bose ha dato il suo nome a una classe di particelle chiamate bosoni, che include membri portatori della forza del modello standard della fisica delle particelle, come fotoni e gluoni.

In fisica nucleare e subnucleare i bosoni si distinguono in bosoni di gauge, particelle elementari mediatrici della forza, e in mesoni, che sono particelle instabili composte da una coppia di quark e antiquark.

Particelle composte da un numero più elevato di particelle elementari (come protoni e neutroni) e gli stessi nuclei atomici possono comportarsi come bosoni o fermioni in funzione del loro spin totale, ovvero del numero rispettivamente pari o dispari di fermioni elementari costituenti, queste particelle, se raffreddate, si comportano come un condensato di Bose Einstein.

Le quattro forze fondamentali della natura sono mediate da bosoni di gauge, ovvero l’effetto della forza viene spiegato come lo scambio di bosoni mediatori fra due corpi.

Einstein ha esteso le statistiche di Bose per descrivere non solo le onde luminose, ma anche l’atomica, arrivando a prevedere che gruppi di bosoni individuali potrebbero condividere stati quantistici al calare della temperatura. 

La previsione fatta da Einstein è stata finalmente osservata nel 1995, quando un certo numero di atomi di rubidio-87 – particelle grandi che si qualificano come bosoni – sono state raffreddate con successo a 170 nanokelvin in un esperimento. 

I fisici Eric Cornell, Wolfgang Ketterle e Carl Wieman hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2001 per il loro lavoro.