Una nuova forma di materia.

Autori: Patrick L. Barry e Tony Phillips (science@NASA)

Traduzione: Flavio Gori

Non capita tutti i giorni di trovarsi davanti una nuova materia, ma certo quando accade l'eccitazione è molto alta.

"Vedere qualcosa che nessuno mai prima ha visto è molto gratificante. Sono questi i momenti che hai in mente quando decidi di voler fare lo scienziato, dice Wolfgang Ketterle, un fisico del Massachussets Institute of Technology (MIT) ed uno dei primi ricercatori a creare il nuovo tipo di materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC in breve).

I BEC non sono solidi, liquidi o gas, come i tipi di materia che impariamo a scuola. Non sono vapore e nemmeno sono liquidi o duri come un mattone. In effetti non ci sono parole usuali per descriverli, per il semplice fatto che i BEC giungono da un mondo diverso: il mondo della Meccanica dei Quanti.

LaMeccanica Quantistica descrive le leggi apparentemente bizzarre della luce e della materia, nelle scale atomiche.

In tali scale di grandezza, la materia può presentarsi in due modi allo stesso tempo: particelle ed onde (una curiosa proprietà descritta dall'equazione d'onda di Shrodinger). In questo mondo non vi è niente di certo; ci si basa sulla probabilità.

Per quanto le leggi quantistiche siano del tutto contro-intuitive, esse sono in grado di spiegare la realtà macroscopica di cui noi abbiamo coscienza tutti i giorni. I BEC sono oggetti curiosi che gettano un ponte fra la nostra realtà e quella della scala atomica.

Un BEC è un gruppo di pochi milioni di atomi che si compenetrano fino a formare una singola onda di materia di circa un millimetro. Nel 1995 Ketterle creò un BEC nel suo laboratorio raffreddando un gas formato da atomi di sodio fino ad alcune centinaia di miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto -oltre un milione di volte più freddo di uno spazio interstellare-. A queste temperature gli atomi diventano più simili ad onde che a particelle. Tenute insieme da un fascio di laser e trappole magnetiche, gli atomi formano una singola onda di materia di dimensioni gigantesche (per gli standard atomici).

Ketterle dice che le immagini di un BEC possono essere paragonate a foto di una funzione d'onda, che è come dire che abbiamo la soluzione dell'equazione di Shrodinger.

Lavorando in maniera indipendente, sempre nel 1995,Eric Cornell (National Institute of Standard and Technology - NIST) and Carl Wieman (University of Colorado) crearono anch'essi BEC. Il loro prodotto fu fatto con atomi di rubidio raffreddati.

I tre ricercatori ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 2001.

I condensati di Bose-Einstein furono teorizzati dal fisico indiano Satyendra Nath Bose ed Albert Einstein nel 1920, agli albori della Meccanica Quantistica. Einstein stesso si chiedeva se i BEC non fossero in realtà degli elementi troppo strani per essere veri. Adesso sappiamo che in effetti esistono e che, comunque, Einstein aveva ragione: sono strani.

Come nota Ketterle, se creiamo due BEC e li mettiamo insieme, questi non si mischiano come i gas normalmente fanno e nemmeno rimbalzano lontano come farebbero due solidi. Magari interferiscono come due onde: strati di materia sottili sono separati da sottili strati di spazio vuoto. Il sistema si forma quando le due creste delle onde coincidono e si cancella quando una cresta incontra una parte contraria. Siamo in presenza di una interferenza costruttiva e distruttiva, rispettivamente. Un effetto simile lo possiamo rilevare quando si lanciano due pietre in uno stagno: le onde create dalle pietre si comportano in un modo molto simile.

Dice Ketterle che ciò significa che sommando l'atomo di un BEC con l'atomo di un altro BEC abbiamo zero atomi. Una interferenza distruttiva. Naturalmente noi non distruggiamo materia, semplicemente essa si ripresenta da qualche altra parte in modo che il numero degli atomi è conservato.

Non tutti gli atomi formano i BEC, ma solo quelli che contengono un certo numero di neutroni, più protoni ed elettroni. Ketterle, che ha fatto i suoi BEC con atomi di sodio, propone questo esperimento: se sommiamo il numero di neutroni, protoni ed elettroni in un atomo di sodio, la risposta è 34, un numero pari importante per BEC. Atomi o isotopi con somme dispari non possono formare BEC. Strano ma vero.

Uno degli aspetti più straordinari dei BEC è che essi sono oggetti quantici abbastanza grandi da poter essere visti. E qui stanno molte delle loro promesse. Molte delle tecnologie che oggi sono (e domani saranno) parte integrante della nostra vita, "vivono" in quella zona d'ombra particolare che vi è fra il mondo quantico e la vita macroscopica. I Ricercatori sperano che lo studio dei BEC porti ad un concreto avanzamento di queste tecnologie e permetta di crearne delle altre.

In effetti Ketterle ne sta già sperimentando una: il laser ad impulsi atomici.

"In un gas ordinario, gli atomi si muovono casualmente, in tutte le direzioni. Invece nei BEC tutti gli atomi vanno in un'unica direzione, seguendo la propagazione di una singola onda" dice Ketterle. I laser ad atomi sono simili ai laser di luce che sono fasci di fotoni ma ci sono alcune differenze: mentre i laser di fotoni non hanno massa, quelli ad atomi ne hanno ed il loro fascio si incurva verso il campo magnetico terrestre in maniera assai più marcata di quanto avviene con i fotoni. Per contro i fotoni attraversano l'aria senza particolari problemi, mentre gli atomi ne sono perturbati in maniera sostanziale.

I laser ad atomi necessitano dunque di un mezzo posto nel vuoto, per potersi propagare ed il loro uso non potrà essere lo stesso che per quelli a fotoni. E' assai probabile che nella vita di ogni giorno non avremo vantaggi dal laser ad atomi, mentre è molto probabile che da questa scoperta avranno grandi vantaggi coloro che si servono di orologi atomici per migliorare la navigazione delle navicelle spaziali (come la NASA).

Ma forse è ancora un po' troppo presto per sapere dove ci porteranno i laser atomici. E' molto probabile che i condensati di Bose-Einstein ci apriranno una nuova strada nella ricerca scientifica e tecnologica, i cui contenuti saranno certamente importanti se non straordinari.

Approfondimenti:

Si consiglia l'ascolto di una lezione del Dr Wolfgang Ketterle che spiega i condensati di Bose-Einstein a questo indirizzo.