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13 gennaio 2013

Bose-Einstein: il condensato anche a Trento!

Chiunque di noi, pur non essendo un esperto di fisica, conosce i tre stati di aggregazione della materia descritti dalla meccanica classica: solido, liquido e gassoso. È una terminologia con la quale, al giorno d’oggi, si comincia a prendere familiarità sin dalle scuole primarie. Non in molti sapranno, al contrario, che le concezioni più attuali della fisica hanno precisato numerosi altri stati della materia, tra i quali i più noti, almeno indirettamente, sono il plasma e il cristallo liquido. Tra i molti oggi conosciuti, ve n’è anche uno teorizzato quasi un secolo fa, ma che solo recentemente si è riusciti ad osservare: il condensato di Bose-Einstein.

Il nome lo si deve ai due grandi scienziati: Satyendra Nath Bose, fisico indiano al quale si deve anche il nome dei ‘bosoni’, e Albert Einstein. In particolare, Einstein partì dagli studi di Bose sui movimenti quantici della luce, per applicarla anche agli atomi. Ne derivarono la teoria statistica di Bose-Einstein e l’omonimo condensato succitato. Quello che venne notato sin dai calcoli è che per temperature molto basse (vicino allo zero assoluto, – 273,15°C) i risultati si discostavano talmente tanto dalle regole precedenti da far temere un errore nella teoria. In realtà, essa venne corroborata empiricamente, ma moltissimi anni più tardi. Nel 1995, Eric Allin Cornell e  Carl E. Wieman riuscirono a sintetizzare per la prima volta il condensato di Bose-Einstein e per questo motivo, insieme a Wolfgang Ketterle, nel 2001 vinsero il premio Nobel per la fisica. Altri 7 premi Nobel sono stati assegnati per ricerche correlate negli ultimi anni. Controcampus si è già occupato di questi argomenti (vedi qui).

Oggi, però, l’impresa è riuscita anche in Italia e precisamente ad un gruppo di ricercatori del BEC (Bose Einstein Condensation) di Povo (TN), appartenenti al CNR a al dipartimento di Fisica dell’Università di Trento. Ecco come il Dott. Gabriele Ferrari ha presentato la notizia: “Applicando tecniche di raffreddamento laser ed evaporativo un gas di atomi di sodio è stato raffreddato fino ad osservare la transizione di fase verso la condensazione di Bose-Einstein, producendo così un condensato di Bose-Einstein di atomi di sodio. In questa fase puramente quantistica la materia (il gas atomico) assume proprietà e comportamenti radicalmente diversi rispetto a quelli previsti in regime classico, analogamente alle differenze che distinguono la radiazione laser dalle sorgenti di luce tradizionali, o al caso dei superconduttori rispetto ai conduttori tradizionali di corrente elettrica. I risultati ottenuti rappresentano un ottimo esempio di sinergia tra gli istituti nazionali di ricerca (in questo caso il CNR) e l’Università di Trento”.

Ma cos’è precisamente un condensato di Bose-Einstein?

“È una fase quantistica della materia – dice Ferrari – e si distingue radicalmente dalle fasi “solida”, “liquida” e “gassosa” che le persone comunemente conoscono. Nel nostro caso abbiamo prodotto questa fase a partire da vapori di sodio gassoso, allo stato atomico, che sono già di per sé trasparenti se osservati ad occhio nudo…”

Qual è l’importanza del risultato raggiunto?

“Il condensato di Bose-Einstein di vapori atomici – afferma il ricercatore – permette di studiare con grande accuratezza aspetti finora sfuggenti o controversi della meccanica quantistica. Allo stesso tempo rappresenta uno strumento fondamentale per il raffreddamento di ulteriori gas fino a temperature prossime allo zero assoluto, dell’ordine della decina di nano gradi Kelvin (miliardesimi di grado Kelvin)”. 

I gas ultrafreddi sono inoltre molto importanti per lo sviluppo di materiali altamente innovativi, nonché per lo studio dei superconduttori. Un altro elemento di notevole interesse per l’innovazione tecnologica è quello dello studio e della messa a punto di porte logiche quantistiche. Al giorno d’oggi, gli hardware comuni utilizzati nelle case sono costruiti elettronicamente utilizzando elementi chiamati ‘porte logiche’ che possono assumere valori ‘vero’ o ‘falso’ sulla logica dell’algebra booleana. Gli algoritmi informatici, dai più semplici ai più complessi, sono costruiti a partire da questi elementi (tradotti negli 0 e 1 del codice binario). Immaginate quale grado di sofisticazione potrebbero raggiungere gli algoritmi se, anziché su due valori, potessero assumere una scala continua di valori tra i due. È quello che si sta cercando di mettere a punto con queste porte logiche quantistiche e coi relativi computer.

Ecco cosa dice al riguardo il Dott. Ferrari: “Il computer quantistico si presenta come un computer classico, nel quale le variabili di calcolo invece di assumere in modo esclusivo un valore binario (vero o falso), possono assumere valori intermedi. La variabile che nel caso classico assume due stati (vero, falso), nel caso quantistico diventa continua per esprimere il “peso” dello stato “vero” rispetto a quello “falso” e la relazione di fase fra i due stati. L’incremento di informazione della variabile quantistica rispetto alla variabile classica è alla base di nuovi tipi di algoritmi informatici molto più potenti rispetto a quelli impiegati attualmente. Occorre precisare che a oggi non esistono computer quantistici funzionanti. A livello di prototipi si sta lavorando allo sviluppo di porte logiche, che sono i mattoni con i quali costruire i computer, ma rimangono numerosi problemi per arrivare a integrarle e quindi poter realizzare un computer quantistico. I gas ultrafreddi di molecole polari permettono di risolvere alcuni di questi problemi”.

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