In un rapporto pubblicato di recente, il team Will Lab della Columbia University riporta il successo nel superare la soglia BEC e nella creazione di condensato di Bose-Eienstein (BEC) di molecole di NaCs ad una temperatura ultrafredda di 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). Il condensato quantico molecolare era stabile con una durata di circa 2 secondi. Ciò pone fine alla ricerca decennale del BEC molecolare. Si tratta di un risultato notevole e di una pietra miliare nella scienza.
È comunemente noto che la questione sarebbe in uno dei tre stati, vale a dire. solido, liquido o gassoso a seconda delle condizioni esterne come temperatura e pressione. Ad esempio, H2L'O si trova sotto forma di ghiaccio, acqua o vapore nelle normali condizioni esterne.
Quando la temperatura è superiore a 6000-10,000 Kelvin, la materia si ionizza e si trasforma in plasma, la materia del quarto stato.
Quale sarebbe lo stato della materia se la temperatura fosse estremamente bassa, prossima allo zero assoluto?
Nel 1924-25, Satyendra Nath Bose e Albert Einstein fecero una previsione teorica che se Higgs Se le particelle (cioè entità con un valore di spin intero) vengono raffreddate a una temperatura ultrabassa vicino allo zero assoluto, le particelle si fonderebbero in un'unica entità più grande con proprietà e comportamenti condivisi governati dalle leggi della meccanica quantistica. Chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC), si pensava che questo stato fosse il quinto stato della materia.
| Stati della materia | Intervallo di temperatura di esistenza |
| Plasma | superiore a 6000–10,000 K |
| Gas | Per l'acqua, superiore a 100°C alla normale pressione atmosferica |
| Liquido | Per l'acqua, tra 4°C e 100°C |
| Tinte Unite | Per l'acqua, inferiore a 0°C |
| Condensato di Bose-Eisenstein (BEC) | Vicino allo zero assoluto Circa 400 nanoKelkin per i bosoni atomici Circa 5 nanokelvin per BCE molecolare {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Zero assoluto = 0 Kelvin = -273°C |
La previsione teorica del condensato di Bose-Einstein (BEC), il quinto stato della materia, divenne realtà quasi sette decenni dopo, nel 1995, quando Eric Cornell e Carl Wieman crearono il primo BEC in un gas di atomi di rubidio e, poco dopo, Wolfgang Ketterle produsse un BEC in un gas di atomi di sodio. Il trio è stato insignito congiuntamente del Premio Nobel per la Fisica 2001″per la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein in gas diluiti di atomi alcalini e per i primi studi fondamentali sulle proprietà dei condensati".
Cronologia dei progressi nella scienza del quinto stato della materia
| Milestone |
| 1924-25: La previsione teorica del quinto stato della materia. Satyendra Nath Bose e Albert Einstein fecero una previsione teorica che un gruppo di particelle bosoniche raffreddate fino a raggiungere uno zero assoluto si sarebbe fuso in un'unica superentità più grande con proprietà condivise e comportamenti dettati dalle leggi della meccanica quantistica. |
| 1995: scoperta del quinto stato della materia: creazione dei primi BEC atomici. La previsione teorica di Bose ed Einstein diventa realtà dopo 70 anni quando Eric Cornell e Carl Wieman crearono il primo BEC in un gas di atomi di rubidio e, poco dopo, Wolfgang Ketterle produsse un BEC in un gas di atomi di sodio. |
| BCE molecolari La ricerca di BCE molecolari che richiedono l’ultraraffreddamento in nanoKelvin (10-9 Kelvin) gamma |
| 2008: Deborah Jin e Jun Ye ha raffreddato un gas di molecole di potassio-rubidio fino a circa 350 nanoKelvin. |
| 2023: Ian Stevenson et al ha creato il primo gas ultrafreddo di molecole di sodio-cesio (Na-Cs) a una temperatura di 300 nanoKelvin (nK) utilizzando una combinazione di raffreddamento laser e manipolazioni magnetiche. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al hanno utilizzato le microonde per estendere la durata di vita di un gas bosonico composto da molecole di sodio-cesio da pochi millisecondi a oltre un secondo, un primo passo fondamentale per raffreddarle. Con il loro campione più duraturo, hanno abbassato la temperatura a 36 nanoKelvin, poco meno della temperatura necessaria affinché le molecole formino un BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al crea BEC di bosoni molecolari (molecole di NaCs) a una temperatura ultrafredda di 5 nanoKelvin (nK) |
Dalla scoperta nel 1995, i laboratori di tutto il mondo e della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) producono abitualmente BEC atomici da diversi tipi di atomi.
Molecolare Condensato di Bose-Einstein (BEC)
Gli atomi sono entità semplici, rotonde, senza interazioni polari. Pertanto, i ricercatori hanno sempre pensato di creare un condensato di Bose-Einstein (BEC) a partire da molecole. Ma la creazione di BEC anche di molecole semplici composte da due atomi di elementi diversi non è stata possibile a causa della mancanza di tecnologia per raffreddare le molecole a pochi nanoKelvin (nK) necessari per la formazione del BEC molecolare.
I ricercatori del Will Lab della Columbia University hanno lavorato costantemente per sviluppare la tecnologia ultrafredda. Nel 2008, sono riusciti a raffreddare un gas di molecole di potassio-rubidio a circa 350 nanoKelvin. Ha aiutato nell'esecuzione di simulazioni quantistiche e nello studio delle collisioni molecolari e della chimica quantistica, ma non è riuscito a superare la soglia BEC. L’anno scorso, nel 2023, hanno utilizzato le microonde per prolungare la durata di vita di un gas bosonico composto da molecole di sodio-cesio e sono stati in grado di raggiungere una temperatura inferiore di 36 nanoKelvin, più vicina alla soglia BEC.
In un rapporto pubblicato di recente, il team Will Lab della Columbia University riporta il successo nel superare la soglia BEC e nella creazione di condensato di Bose-Eienstein (BEC) di molecole di NaCs ad una temperatura ultrafredda di 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). Il condensato quantico molecolare era stabile con una durata di circa 2 secondi. Ciò pone fine alla ricerca decennale del BEC molecolare. Si tratta di un risultato notevole e di una pietra miliare nella scienza.
La creazione di condensati molecolari di Bose-Einstein (BES) avrebbe rilevanza a lungo termine per la ricerca nella fisica quantistica fondamentale, nelle simulazioni quantistiche, nella superfluidità e nella superconduttività e nell'innovazione di nuove tecnologie come un nuovo tipo di computer quantistico.
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Riferimenti:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Osservazione della condensazione di Bose-Einstein di molecole dipolari. Natura (2024). 03 giugno 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Versione prestampata su arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Novità dalla ricerca – Il laboratorio più freddo di New York ha una nuova offerta quantistica. Pubblicato il 03 giugno 2024. Disponibile su https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- L'Accademia reale svedese delle scienze. Informazioni avanzate sul Premio Nobel per la Fisica 2001 – Condensazione di Bose-Einstein nei gas alcalini. Disponibile a https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Il quinto stato della materia. Disponibile a https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
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