Ovunque ci guardiamo intorno, vediamo la materia. Il dispositivo su cui stai leggendo questo articolo, l’aria che respiriamo, insieme a tutta la vita sulla Terra è fatta di materia. Possiamo tranquillamente dire che la materia è tutto composto da atomi. La ragione per cui vediamo la materia assumere così tante forme diverse è perché esiste in molti stati diversi., Generalmente, la materia esiste in una certa quantità di stati in condizioni classiche, ma quando sottoposta a condizioni estreme, la materia si comporta in stati diversi del tutto.
Uno di questi stati della materia, trovato in condizioni estremamente critiche, è stato scoperto da due scienziati leggendari, Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. Questo stato della materia è stato quindi dato il nome di Condensato di Bose-Einstein., In primo luogo, tuttavia, per capire il Condensato di Bose-Einstein, dobbiamo guardare agli stati classici della materia, rinfrescando come si comportano gli atomi in essi e come la materia scorre da uno stato all’altro.
Il cambiamento di stati della materia
La materia ha molti stati in cui può esistere. Lo stato della materia dipende dall’interazione degli atomi tra loro, così come i livelli di energia di ogni atomo nel suo complesso. La materia può cambiare da uno stato all’altro se sottoposta a diverse temperature e pressioni., In fisica classica condizioni, la materia può esistere in quattro stati:
- Solid
- Liquido
- Gas
- Plasma
sopra raffigura il classico esempio per cambiamento di stato della materia, vale a dire, l’acqua (Photo Credit : Vecton/)
L’esempio migliore per raccontare i cambiamenti in stati della materia è l’acqua. Sotto 0°C, l’acqua esiste allo stato solido-ghiaccio. Dopo aver riscaldato il ghiaccio sopra 0°C a pressione standard, viene convertito in acqua liquida., Riscaldando acqua liquida superiore a 100°C a pressione standard, otteniamo vapore, che è la forma gassosa dell’acqua. Il vapore, quando subisce il processo di ionizzazione, che aggiunge o rimuove un elettrone per creare ioni, genera lo stato plasmatico dell’acqua.
L’energia degli atomi è l’organo di governo per determinare in quale stato della materia si trova una sostanza. Quando impartiamo calore agli atomi, fondamentalmente diamo loro energia. Quell’energia viene assorbita dagli atomi mentre iniziano a convertire questa energia in movimento., Questo è essenzialmente ciò che vediamo durante tale cambiamento di stati della materia. Gli atomi nei solidi hanno pochissima energia e vibrano con basse ampiezze, motivo per cui i solidi rimangono in un unico posto. Quando riscaldiamo i solidi, li impartiamo con energia. Gli atomi iniziano quindi a vibrare con più energia e ampiezze più elevate. Questo è quando otteniamo liquidi e gas, entrambi i quali hanno la tendenza a fluire, piuttosto che rimanere stagnanti.
Tuttavia, quando parliamo di Condensato di Bose-Einstein, non stiamo parlando di termini standard di condizioni fisiche., I condensati di Bose-Einstein sono generalmente realizzati a temperature milioni di volte più fredde dello spazio stesso. Quindi, per ottenere una migliore comprensione del Condensato di Bose-Einstein, dobbiamo andare nella fisica quantistica di un atomo.
Un tuffo nel regno quantistico
La fisica quantistica è la branca della fisica che si occupa delle particelle subatomiche e di tutta la materia e l’energia alle scale più piccole. La fisica quantistica descrive anche le leggi che governano un atomo.,
Nel 1924, Louis-Victor de Broglie affermò che tutta la materia aveva una natura ondulatoria. Questo in realtà ha posto le basi per la fisica Quantistica. Ciò significava che tutta la materia poteva esistere come una particella e un’onda allo stesso tempo! Il motivo per cui non vediamo questa dualità delle particelle d’onda molto spesso è perché la massa di tutti gli oggetti intorno a noi ha milioni di milioni di milioni di massa in più rispetto alle particelle subatomiche con cui la fisica quantistica si occupa., In breve, gli oggetti intorno a noi hanno così tanta massa che la loro natura ondulatoria è quasi invisibile, ma in piccoli oggetti come gli elettroni, vediamo questo fenomeno più chiaramente.
Quanto sopra mostra le onde di materia di de Broglie. La particella di cui sopra oscilla come un’onda e si muove come una particella (Photo credit: Maschen/wikimedia commons)
La fisica quantistica afferma anche che ogni atomo ha una propria identità., Ogni atomo ha la sua lunghezza d’onda unica (poiché si comporta come un’onda) e ha la sua individualità come particella. Siamo in grado di distinguere un atomo da un altro a causa di certe qualità, simili a come possiamo distinguere tra due esseri umani. Dobbiamo tenere a mente queste leggi quando si parla di Condensato di Bose-Einstein.
Quanto sopra mostra la dualità onda-particella. La particella quantistica di cui sopra è anche vista come un pacchetto d’onda., (Photo credit: Thierry Dugnolle/wikimedia commons)
Trasformare il Microscopio sul Bose-Einstein di Condensa
la Maggior parte di noi sa che non c’è temperatura inferiore allo Zero Assoluto, che è -273 °C o 0 K. Zero Assoluto è la temperatura a cui gli atomi privi di energia e di cessare il movimento tutto. Quindi, cosa succede quando si raffredda un gas a bassa densità a temperature solo una frazione sopra lo Zero Assoluto? Bene, la risposta a questa domanda è the il Condensato di Bose-Einstein!,
È stato scoperto che raffreddando la materia a temperature appena superiori a 0 K, il materiale entra in un altro stato della materia, opportunamente chiamato Condensato di Bose-Einstein. Sappiamo già che quando gli atomi vengono raffreddati a temperature più basse, hanno livelli di energia più bassi. Quindi, nello stato di Condensazione di Bose-Einstein, gli atomi hanno livelli di energia vicini allo zero.
Ricordate la dualità onda-particella degli atomi coperti nella fisica quantistica? In un Condensato di Bose-Einstein, tutti gli atomi di una sostanza iniziano a mostrare una lunghezza d’onda simile., Queste lunghezze d’onda iniziano quindi a sovrapporsi. A questo punto, gli atomi subiscono una crisi di identità. Invece di avere più atomi diversi che presentano diverse lunghezze d’onda, osserviamo un singolo atomo che mostra una singola lunghezza d’onda. Un atomo non può distinguersi da un altro, quindi consideriamo il suddetto singolo atomo come un “super atomo”.
Quanto sopra mostra una distribuzione della velocità degli atomi di rubidio., L’immagine sopra mostra una velocità di distribuzione grafico: All’estrema sinistra – atomi poco prima di condensa si forma; Medio – super atomo dopo la condensa si forma; all’estrema Destra – un campione puro di condensa (Photo credit: Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia / Wikimedia commons)
Conclusione
Per mettere questo in modo molto semplice, il Bose-Einstein di Condensa (BEC) è quello stato della materia in cui tutti gli atomi di una particella cominciare ad agire come un singolo atomo chiamato Super Atomo., A differenza di tutti gli altri stati della materia, nel BEC, tutti gli atomi vibrano all’unisono, cioè vibrano tutti con la stessa lunghezza d’onda con lo stesso periodo di tempo. Questo fenomeno potrebbe consentire al BEC di rivoluzionare il calcolo, rendendo possibile la realizzazione del calcolo quantistico. Questo concetto è immensamente difficile da afferrare e c’è ancora una grande quantità di ricerca in corso ad esso correlati, ma il BEC potrebbe aprire nuove e incredibili porte di realizzazione nel mondo della fisica.