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Creata in laboratorio una nuova forma della materia

Una nuova forma della materia è stata creata in laboratorio da un gruppo di fisici dell’Università del Colorado. Gli esperti lo definiscono un “condensato fermionico”

Una nuova forma della materia è stata creata in laboratorio da un gruppo di fisici dell’Università del Colorado. Gli esperti lo definiscono un “condensato fermionico”; in pratica un gas estremamente rarefatto, freddissimo. La nuova sostanza è un particolare stato condensato di Bose-Einstein (BEC), una forma particolarissima della materia, dove gli atomi perdono la loro identità divenendo un unico assieme coordinato, una specie di “super atomo”.
L’esistenza di questa singolare forma della materia, fu prevista per la prima volta nel 1924 dal fisico indiano Satyendra Nath Bose e da Einstein, mentre per avere una prova sperimentale della sua esistenza bisognerà attendere la fine degli anni ’90. Eric Cornell e Carl Wieman, del National Institute of Standard and Technology di Boulder, in Colorado, nel 1995 producono il primo BEC, condensando circa 2000 atomi di rubidio a una temperatura di 20 nanokelvin (20 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto). Contemporaneamente, il tedesco Wolfgang Metterle, al Massachusetts Institute of Technolgy di Cambridge, riesce a condensare un gas di atomi di sodio.
Risultati questi che hanno dischiuso una nuova frontiera nell’indagine sperimentale sugli stati aggregati della materia, e il cui valore sarà riconosciuto nel 2001 con il premio Nobel per la fisica a Cornell, Wieman e Ketterle. Da allora, ricercatori di ogni parte del mondo sono riusciti a riprodurre questi risultati utilizzando diversi tipi di atomi e molecole, permettendo così di sperimentare “sul campo” cosa avviene quando la materia viene governata dalle leggi della meccanica quantistica. Una ricerca che vede in prima fila anche i laboratori italiani del LENS di Firenze, dove negli ultimi anni, grazie allo sforzo di Massimo Inguscio e dei suoi colleghi, sono stati collezionati importanti successi.
Per produrre i BEC si utilizzano delle particolari particelle, chiamate dai fisici “bosoni”. Una loro caratteristica peculiare è quella di possedere un momento di spin intero, particolarità che dona ai membri di questa famiglia una propensione del tutto speciale verso la “socializzazione”, o in termini più scientifici la possibilità di poter coesistere tutti assieme nello stesso stato quantico, senza che si verifichi nessun effetto di repulsione. Una proprietà che si rivela determinante non solo per realizzare un BEC ma anche per il funzionamento di un laser, che può emettere una luce estremamente coerente, proprio perché i fotoni, particelle a spin intero, possono essere riuniti in uno stesso livello energetico.
Ma non tutte le particelle presenti in natura si comportano in questo modo. Esiste una seconda grande famiglia di particelle, quella che gli esperti chiamano fermioni, che possono essere descritte solo con delle formule completamente diverse, quelle previste dalla statistica di Fermi-Dirac. A questa gruppo appartengono protoni, neutroni, elettroni, accomunati tra loro per il fatto di possedere uno spin semi intero. Per queste particelle vale il principio di esclusione di Wolfgang Pauli, ben noto ai chimici, secondo il quale due fermioni identici non possono occupare lo stesso livello energetico. La repulsione tra due fermioni non si manifesta solo all’interno di atomi e molecole, distribuendo gli elettroni su orbitali diversi, ma nello Spazio ad esempio, permette l’esistenza delle stelle di neutroni, che resistono al collasso gravitazionale proprio in virtù di questa forza straordinaria.
Nel caso di particelle composte, come ad esempio atomi o molecole, si osserverà un comportamento simile ad un bosone o a un fermione a seconda se il numero totale di protoni, neutroni ed elettroni forma un numero pari o dispari. Ad esempio gli atomi di rubidio sono bosoni e possono essere considerati allo steso modo anche coppie costituite da atomi di potassio, che presi singolarmente sarebbero invece dei fermioni.
Proprio utilizzando una particolare “tecnica di accoppiamento” Deborah Jin e i suoi colleghi dell’Università del Colorado a Boulder, Markus Greiner e Cindy Regal, sono riusciti a formare uno stato condensato formato da singoli atomi di potassio. Nel corso dell’esperimento un gas rarefatto composto da circa mezzo milione di atomi di potassio è stato raffreddato fino ad una temperatura di soli 50 miliardesimi di gradi kelvin al di sopra dello zero assoluto; un vero è proprio record. A questo punto, è stato applicato una soluzione proposta per la prima volta da Murray Holland nel 2001; utilizzare un intenso campo magnetico per orientare i singoli atomi, favorendo così la formazione di coppie, senza promuovere dei veri e propri legami chimici. Un’interazione quindi, che non porta alla formazione di una vera e propria molecola e quindi di un bosone, ma che è sufficiente a permettere agli atomi di potassio di precipitare tutti nello stesso stato energetico per qualche millesimo di secondo.
Questi studi, anche se possono sembrare molto lontani dalla realtà, potrebbero avere un’enorme valenza pratica. I superconduttori, materiali in cui il trasporto di corrente avviene senza la presenza di alcuna resistenza elettrica, si distinguono dai normali metalli proprio per il particolare coordinamento che al loro interno assumono gli elettroni. In particolare il legame che si forma nei cosiddetti “superconduttori ad alta temperatura critica” ha delle caratteristiche che ricordano molto da vicino quelle realizzate nel condensato fermionico. Purtroppo, nonostante il loro nome, questi superconduttori, oggi non possono essere utilizzati a temperature superiori ai –135 °C e questo limita sostanzialmente la loro applicazione pratica. Grazie a queste ricerche potrebbe aprirsi in un futuro prossimo la possibilità di realizzare nuovi materiali capaci di lavorare anche a temperatura ambiente, con una ricaduta tecnologica straordinaria.

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