Il quinto stato della materia

Questo grafico rappresenta la variazione di densità di una nuvola di atomi che viene raffreddata (andando da sinistra verso destra) fino a temperature prossime allo zero assoluto. Possiamo vedere come al diminuire della temperatura nel grafico della densità emerga un picco che corrisponde alla formazione del Condensato di Bose-Einstein, il cosiddetto quinto stato della materia. Nel caso presente la formazione del Condensato di Bose-Einstein avviene alla temperatura di 130 nanoKelvin, ovvero meno di 1 Kelvin sopra lo zero assoluto.

Ma cos’è esattamente un Condensato di Bose-Einstein? Dunque innanzitutto è necessario considerare che le particelle conosciute sono divise in due categorie, i Fermioni e i Bosoni, a seconda che posseggano il numero quantico di spin semintero o intero, rispettivamente. Per dare un esempio esplicativo, protoni, neutroni ed elettroni sono Fermioni mentre i fotoni sono Bosoni.

Inoltre i Fermioni obbediscono alla Statistica di Fermi-Dirac mentre i Bosoni obbediscono alla Statistica di Bose-Einstein: queste sono delle distribuzioni statistiche relative agli stati energetici all’equilibrio termico, ovvero ci dicono quali stati energetici sono più probabili all’equilibrio per sistemi di Fermioni e Bosoni.

I Fermioni a differenza dei Bosoni obbediscono al Principio di Esclusione di Pauli che afferma che due Fermioni non possono trovarsi nello stesso stato quantico, ovvero non possono avere tutti gli stessi numeri quantici uguali.

Per questo motivo quando un gas di Fermioni viene raffreddato fino allo zero assoluto si avrà che solo un Fermione occuperà lo stato quantistico a più bassa energia: gli altri occuperanno via via gli stati ad energia più elevata. L’energia dello stato quantico più elevato occupato prende il nome di Energia di Fermi.

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Al contrario un gas di Bosoni quando viene raffreddato fino a temperature prossime allo zero assoluto collassa tutto nello stato quantico ad energia minore (stato fondamentale) dando vita al Condensato di Bose-Einstein. In questo stato della materia le caratteristiche quantistiche, proprie del mondo microscopico, emergono in sistemi macroscopici.

Per studiare le proprietà quantistiche dei Condensati di Bose-Einstein è stato realizzato dalla NASA il CAL – Cold Atom Laboratory, un laboratorio di atomi freddi che opererà a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

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CAL, che è stato lanciato in orbita il 21 Maggio 2018 a bordo del veicolo di rifornimento spaziale Orbital ATK Cygnus, produrrà atomi ultra freddi a una temperatura perfino più bassa della temperatura media dello spazio profondo!

Inoltre sulla Stazione Spaziale Internazionale, in condizioni di microgravità, sarà possibile osservare i Condensati di Bose-Einstein evolvere liberamente per tempi maggiori (fino a 10 secondi) rispetto ai laboratori terrestri (frazioni di secondo), dove gli aggregati di Bosoni vengono trascinati verso il basso dalla forza di gravità.

CREDITI: NASA

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