condensati di Bose-Einstein, spesso chiamato il "quinto stato della materia, " si ottengono quando gli atomi vengono raffreddati quasi allo zero assoluto. In queste condizioni, le particelle non hanno più energia libera per muoversi rispetto a un'altra, e alcune di queste particelle, chiamati bosoni, rientrano negli stessi stati quantistici e non possono essere distinti individualmente. A questo punto, gli atomi iniziano a obbedire alle cosiddette statistiche di Bose-Einstein, che di solito vengono applicati a particelle identiche. In un condensato di Bose-Einstein, l'intero gruppo di atomi si comporta come se fosse un singolo atomo.
I condensati di Bose-Einstein furono predetti e calcolati teoricamente da Satyendra Nath Bose e Albert Einstein nel 1924, ma non è stato fino al 1995 che Eric A. Cornell, Carl E. Wieman e Wolfgang Ketterle sono riusciti a produrne uno utilizzando gas di rubidio ultrafreddo, per il quale tutti e tre hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2001.
La ricerca di una collaborazione internazionale ha recentemente prodotto l'equivalente di un condensato di Bose-Einstein utilizzando il composto chimico cloruro di nichel. Ma ancora più importante, il trattamento teorico dei dati ha consentito ai ricercatori di ottenere una serie di equazioni che possono essere applicate ad altri materiali non caratterizzati come condensati di Bose-Einstein.
Armando Padovano Filho, Professore Ordinario presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) in Brasile, partecipato allo studio. "A temperature prossime allo zero assoluto e in presenza di un campo magnetico molto intenso, il cloruro di nichel si comporta come un condensato di Bose-Einstein, in modo che le proprietà di un grande gruppo di atomi possano essere descritte usando una singola equazione, una singola funzione d'onda, " Ha detto il padovano Filho.
Questa scoperta rende possibili calcoli che altrimenti sarebbero impraticabili. Per esempio, il momento magnetico di un corpo macroscopico può essere teoricamente calcolato come la somma dei momenti magnetici dei suoi atomi, ma in pratica questo calcolo non è fattibile a causa dell'enorme numero di atomi e interazioni coinvolti. "Un modo per risolvere il problema è usare le statistiche della meccanica quantistica. In questo caso, dobbiamo pensare agli atomi non come punti o solidi ma come onde, "Ha detto il padovano Filho.
Nei bosoni, cioè., in materiali che obbediscono alle statistiche di Bose-Einstein, tutte le onde associate alle particelle di cui si suppone siano costituite sono uguali. Nel frattempo, minore è la temperatura di un materiale, più lunghe sono le lunghezze d'onda delle sue particelle costituenti, e quando la temperatura del materiale si avvicina allo zero assoluto, le lunghezze d'onda aumentano fino a quando tutte le onde si sovrappongono. "Quindi abbiamo una situazione in cui tutte le onde sono uguali e si sovrappongono, e possiamo quindi rappresentarli tutti come un'unica onda. Emissioni energetiche ed elettriche, magnetico, termico, proprietà luminose e altre possono essere calcolate mediante una singola funzione d'onda, " Lui ha spiegato.
Quando i ricercatori hanno studiato il cloruro di nichel, hanno scoperto che quando il materiale è stato raffreddato quasi allo zero assoluto e sottoposto a un forte campo magnetico, i suoi atomi si comportavano come bosoni e potrebbe quindi essere caratterizzato come un condensato di Bose-Einstein. "Il fatto che gli atomi possano essere percepiti come onde è una scoperta sperimentale che corrobora la teoria, considerando che dire che formano un condensato di Bose-Einstein deriva dall'applicazione di uno strumento teorico per spiegare le proprietà osservate, " Egli ha detto.
I fisici dell'Università di São Paulo (USP) hanno studiato le proprietà magnetiche del cloruro di nichel per più di un decennio. "In alcuni materiali, i momenti magnetici degli atomi sono disordinati a temperatura ambiente ma ordinati quando il materiale è raffreddato. Abbiamo scoperto che questo ordine non si verifica nel cloruro di nichel, ma a temperature molto basse e in presenza di un campo magnetico elevato, presenta un momento magnetico indotto, "Ha detto il padovano Filho.
L'indagine è proseguita attraverso la collaborazione con diverse istituzioni estere, come il National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) di Los Alamos, STATI UNITI D'AMERICA, e l'omonima struttura francese di Grenoble (LNCMI), tra gli altri. Queste partnership hanno permesso ai ricercatori di raggiungere temperature dell'ordine di 1 millikelvin - un millesimo di grado sopra lo zero assoluto - e di utilizzare tecniche come la risonanza magnetica nucleare (NMR) per studiare la materia su scala atomica e subatomica. È così che i ricercatori sono riusciti a caratterizzare il cloruro di nichel ultrafreddo come un condensato di Bose-Einstein.
"Oltre a questi esperimenti, la nostra collaborazione ha prodotto anche un consistente lavoro teorico, e siamo arrivati a una serie di equazioni che, con alcune trasposizioni, può essere applicato ad altri materiali oltre alle condense, " ha detto il padovano Filho. L'uso di queste equazioni offre ottime prospettive non solo per la ricerca di base sulla struttura della materia ma anche per future applicazioni tecnologiche, poiché moltissimi dispositivi di uso quotidiano funzionano sulla base di proprietà magnetiche.
