Il quinto stato della materia: i condensati Bose Einstein

Gli atomi di rubidio super freddi hanno formato una nuvola chiamata condensato di Bose-Einstein, definito anche il "quinto stato della materia", che potrebbe aiutarci a capire le proprietà quantistiche degli atomi ultra freddi

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In un esperimento sul “quinto stato della materia” effettuato sulla ISS, la Stazione Spaziale Internazionale, è stata raggiunta la temperatura più bassa mai registrata.

Nell’esperimento sono stati utilizzati atomi di rubidio che sono stati portati a una temperatura pari a circa 100 nano kelvin, cioè un decimilionesimo di un kelvin sopra lo zero assoluto.

Gli atomi di rubidio super freddi hanno formato una nuvola chiamata condensato di Bose-Einstein, definito anche il “quinto stato della materia”, che potrebbe aiutarci a capire le proprietà quantistiche degli atomi ultra freddi.

La ricerca è proseguita utilizzando il Cold Atom Laboratory del Jet Propulsion Laboratory. A bordo della ISS i ricercatori hanno proseguito a produrre condensati di Bose-Einstein a meno di un nano Kelvin sopra lo zero assoluto, sfruttando le condizioni di microgravità per capire meglio il comportamento del quinto stato della materia.

Il quinto stato della materia, cos’è un condensato di Bose Einstein

I condensati di Bose-Einstein sono composti da bosoni raffreddati a una frazione sopra lo zero assoluto.

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Ciò porta gli stessi bosoni nel loro stato a bassa energia, e muovendosi molto lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producono una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “super-atomo”.

Poiché la meccanica quantistica, in cui ogni particella può essere descritta come un’onda, è più facile da osservare su scala atomica, i condensati di Bose-Einstein permettono agli scienziati di studiare il comportamento quantistico su una scala molto più ampia.

Gli scienziati possono realizzare in laboratorio i condensati di Bose-Einstein usando una combinazione di laser, campi magnetici e raffreddamento per evaporazione.

Quest’ultima tecnica è il passo conclusivo: gli atomi sono tenuti in una trappola magnetica e la radiazione a radiofrequenza viene utilizzata per far “evaporare” le particelle più energetiche, lasciando indietro quelle fredde e lente che formano cosi il quinto stato della materia.

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Una volta ottenuto il “super atomo”, la trappola viene spenta e gli scienziati possono eseguire i loro esperimenti, ma devono farlo in fretta, in quanto la forza repulsiva esistente tra gli atomi farà espandere e dissipare il condensato.

Per effetto della gravità questo processo avviene abbastanza velocemente, un condensato di Bose Einstein permane solo poche decine di millisecondi.

A bordo della ISS in regime di microgravità, gli scienziati possono invece creare un condensato di Bose-Einstein che può durare più di un secondo.

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L’impatto ridotto della gravità inoltre permette al condensato di comportarsi come un disco appiattito che consente una migliore finestra di osservazione sia prima che appena dopo il suo rilascio.

Questo è ciò che i ricercatori hanno fatto con il Cold Atom Laboratory, ma quando hanno sondato i condensati che hanno prodotto, hanno trovato effetti impossibili da verificarsi nella gravità terrestre.

Cosi spiegano i ricercatori:

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Troviamo che il raffreddamento per evaporazione indotto dalla radiofrequenza rivela risultati marcatamente diversi nella microgravità. Osserviamo un aumento in orbita del numero di atomi di quasi tre volte.

Attraverso l’applicazione di vari gradienti di campo magnetico, confermiamo che circa la metà degli atomi sono nello stato magneticamente insensibile | 2, 0⟩, formando un alone attorno alla posizione della trappola magnetica“.

Il quinto stato della materia e la gravità

Sulla Terra, la gravità è la forza che maggiormente agisce sugli atomi del condensato rimuovendoli dalla trappola. Nello spazio, riuscire a osservare più da vicino il “quinto stato della materia” ha rivelato un alone di atomi di rubidio sciolti che si librano attorno ai bordi della nuvola di bosoni.

Grazie alla tecnica utilizzata per raffreddare il condensato, questi atomi sono poco influenzati dalla trappola magnetica.

Negli esperimenti a terra solitamente la gravità li allontana. Ma in regime di micro gravità, rimangono ai bordi del condensato, fornendo una risorsa ultra-fredda potenzialmente utile per studi futuri.

La fattibilità della produzione di condensati di Bose-Einstein più freddi e di maggior durata significa inoltre che possiamo iniziare a pensare ad altri modi in cui possiamo studiarli.

Ad esempio, è possibile creare trappole impossibili da realizzare sulla Terra per vedere se si possono osservare diversi comportamenti quantistici.

Le proprietà d’onda dei condensati di Bose-Einstein sono potenzialmente utili per gli interferometri atomici, che possono essere utilizzati per misurare costanti fisiche fondamentali.