di Bose-Einstein di condensa (BEC), uno stato della materia in cui separare gli atomi o particelle subatomiche, raffreddato vicino allo zero assoluto (0 K, − 273.15 °C, o − 459.67 °F; K = kelvin), si fondono in un unico meccanica quantistica entità—che è, uno che può essere descritto da una funzione d’onda—su un vicino-scala macroscopica. Questa forma di materia fu predetta nel 1924 da Albert Einstein sulla base delle formulazioni quantistiche del fisico indiano Satyendra Nath Bose.,
Sebbene fosse stato previsto per decenni, il primo BEC atomico fu fatto solo nel 1995, quando Eric Cornell e Carl Wieman di JILA, un istituto di ricerca gestito congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall’Università del Colorado a Boulder, raffreddarono un gas di atomi di rubidio a 1,7 × 10-7 K sopra lo zero assoluto. Insieme a Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che ha creato un BEC con atomi di sodio, questi ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica 2001., La ricerca su BECs ha ampliato la comprensione della fisica quantistica e ha portato alla scoperta di nuovi effetti fisici.
La teoria BEC risale al 1924, quando Bose considerò come si comportano i gruppi di fotoni. I fotoni appartengono a una delle due grandi classi di particelle elementari o submicroscopiche definite dal fatto che il loro spin quantico sia un intero non negativo (0, 1, 2, …) o un mezzo intero dispari (1/2, 3/2, …). Il primo tipo, chiamato bosoni, include fotoni, il cui spin è 1. Quest’ultimo tipo, chiamato fermioni, include elettroni, il cui spin è 1/2.,
Come notato da Bose, le due classi si comportano in modo diverso (vedere le statistiche di Bose-Einstein e Fermi-Dirac). Secondo il principio di esclusione di Pauli, i fermioni tendono ad evitarsi a vicenda, per cui ogni elettrone in un gruppo occupa uno stato quantico separato (indicato da diversi numeri quantici, come l’energia dell’elettrone). Al contrario, un numero illimitato di bosoni può avere lo stesso stato energetico e condividere un singolo stato quantico.
Einstein estese presto il lavoro di Bose per dimostrare che a temperature estremamente basse “atomi bosonici” con spin pari si fonderebbero in uno stato quantico condiviso alla più bassa energia disponibile. I metodi necessari per produrre temperature abbastanza basse da testare la previsione di Einstein non sono diventati raggiungibili, tuttavia, fino agli 1990. Una delle scoperte dipendeva dalla nuova tecnica del raffreddamento laser e del trapping, in cui la pressione di radiazione di un raggio laser raffredda e localizza gli atomi rallentandoli., (Per questo lavoro, il fisico francese Claude Cohen-Tannoudji e i fisici americani Steven Chu e William D. Phillips hanno condiviso il premio Nobel per la fisica 1997.) La seconda svolta dipendeva da miglioramenti nel confinamento magnetico per tenere gli atomi in posizione senza un contenitore di materiale. Usando queste tecniche, Cornell e Wieman riuscirono a fondere circa 2.000 singoli atomi in un “superatomo”, un condensato abbastanza grande da osservare con un microscopio, che mostrava proprietà quantistiche distinte. Come Wieman ha descritto il risultato, ” L’abbiamo portato a una scala quasi umana., Possiamo colpirlo e prodarlo e guardare questa roba in un modo che nessuno è stato in grado di fare prima.”
I BEC sono correlati a due notevoli fenomeni a bassa temperatura: la superfluidità, in cui ciascuno degli isotopi dell’elio 3He e 4He forma un liquido che scorre con zero attrito; e la superconduttività, in cui gli elettroni si muovono attraverso un materiale con zero resistenza elettrica. Gli atomi 4He sono bosoni, e sebbene gli atomi e gli elettroni 3He siano fermioni, possono anche subire la condensazione di Bose se si accoppiano con spin opposti per formare stati bosonici con spin netto zero., Nel 2003 Deborah Jin e i suoi colleghi di JILA hanno utilizzato fermioni accoppiati per creare il primo condensato fermionico atomico.
La ricerca BEC ha prodotto nuove fisica atomica e ottica, come il laser atom Ketterle dimostrato nel 1996. Un laser a luce convenzionale emette un fascio di fotoni coerenti; sono tutti esattamente in fase e possono essere focalizzati su un punto luminoso estremamente piccolo. Allo stesso modo, un laser atom produce un fascio coerente di atomi che può essere focalizzato ad alta intensità., Le potenziali applicazioni includono orologi atomici più accurati e tecniche avanzate per realizzare chip elettronici o circuiti integrati.
La proprietà più intrigante di BECs è che possono rallentare la luce. Nel 1998 Lene Hau dell’Università di Harvard e i suoi colleghi hanno rallentato il viaggio della luce attraverso un BEC dalla sua velocità nel vuoto di 3 × 108 metri al secondo a soli 17 metri al secondo, o circa 38 miglia all’ora. Da allora, Hau e altri hanno completamente fermato e memorizzato un impulso di luce all’interno di un BEC, rilasciando successivamente la luce invariata o inviandola a un secondo BEC., Queste manipolazioni sono promettenti per nuovi tipi di telecomunicazioni basate sulla luce, archiviazione ottica dei dati e calcolo quantistico, anche se i requisiti a bassa temperatura dei BEC offrono difficoltà pratiche.