La parte centrale dell'esperimento in cui vengono create le onde di materia coerente. Atomi freschi (blu) cadono e si dirigono verso il Condensato di Bose-Einstein al centro. In realtà, gli atomi non sono visibili ad occhio nudo. Credito:Scixel.
I laser producono onde di luce coerenti:tutta la luce all'interno di un laser vibra completamente in sincronia. Nel frattempo, la meccanica quantistica ci dice che anche le particelle come gli atomi dovrebbero essere considerate onde. Di conseguenza, possiamo costruire "laser atomici" contenenti onde coerenti di materia. Ma possiamo far durare queste onde di materia, in modo che possano essere utilizzate nelle applicazioni? In una ricerca pubblicata su Natura questa settimana, un team di fisici di Amsterdam mostra che la risposta a questa domanda è affermativa.
Far marciare in sincronia con i bosoni
Il concetto alla base del laser atomico è il cosiddetto Bose-Einstein Condensate, o BEC in breve. Le particelle elementari in natura sono di due tipi:fermioni e bosoni. I fermioni sono particelle come elettroni e quark, i mattoni della materia di cui siamo fatti. I bosoni sono di natura molto diversa:non sono duri come i fermioni, ma morbidi:ad esempio, possono muoversi l'uno nell'altro senza problemi. L'esempio più noto di bosone è il fotone, la minor quantità di luce possibile. Ma le particelle di materia possono anche combinarsi per formare bosoni, infatti atomi interi possono comportarsi proprio come particelle di luce. Ciò che rende i bosoni così speciali è che possono essere tutti nello stesso identico stato nello stesso momento, o formulati in termini più tecnici, possono "condensare" in un'onda coerente. Quando questo tipo di condensazione si verifica per le particelle di materia, i fisici chiamano la sostanza risultante Condensato di Bose-Einstein.
Nella vita di tutti i giorni, non conosciamo affatto questi condensati. Il motivo:è molto difficile far sì che gli atomi si comportino tutti come uno. Il colpevole che distrugge la sincronicità è la temperatura:quando una sostanza si riscalda, le particelle costituenti iniziano a oscillare e diventa praticamente impossibile farle comportare come una cosa sola. Solo a temperature estremamente basse, circa un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto (circa 273 gradi sotto zero sulla scala Celsius), c'è la possibilità di formare le onde di materia coerente di un BEC.
Esplosioni fugaci
Un quarto di secolo fa, nei laboratori di fisica furono creati i primi condensati Bose-Einstein. Ciò ha aperto la possibilità di costruire laser atomici, dispositivi che emettono letteralmente fasci di materia, ma questi dispositivi sono stati in grado di funzionare solo per un tempo molto breve. I laser potevano produrre impulsi di onde di materia, ma dopo aver inviato un tale impulso, è stato necessario creare un nuovo BEC prima che l'impulso successivo potesse essere inviato. Per un primo passo verso un laser atomico, questo non era ancora male. In effetti, i laser ottici ordinari sono stati realizzati anche in una variante pulsata prima che i fisici fossero in grado di creare laser continui. Ma mentre gli sviluppi per i laser ottici erano andati molto velocemente, essendo il primo laser continuo prodotto entro sei mesi dalla sua controparte pulsata, per i laser atomici la versione continua è rimasta sfuggente per più di 25 anni.
Era chiaro quale fosse il problema:i BEC sono molto fragili e vengono rapidamente distrutti quando la luce li colpisce. Eppure la presenza della luce è fondamentale nella formazione della condensa:per raffreddare una sostanza fino a un milionesimo di grado, è necessario raffreddarne gli atomi usando la luce laser. Di conseguenza, i BEC sono stati limitati a esplosioni fugaci, senza alcun modo per sostenerli in modo coerente.
Un regalo di Natale
Un team di fisici dell'Università di Amsterdam è ora riuscito a risolvere il difficile problema della creazione di un Condensato Bose-Einstein continuo. Florian Schreck, il team leader, spiega qual era il trucco. "Negli esperimenti precedenti, il raffreddamento graduale degli atomi veniva eseguito tutto in un unico posto. Nella nostra configurazione, abbiamo deciso di distribuire le fasi di raffreddamento non nel tempo, ma nello spazio:facciamo muovere gli atomi mentre avanzano attraverso fasi di raffreddamento consecutive. In Alla fine, gli atomi ultrafreddi arrivano al cuore dell'esperimento, dove possono essere usati per formare onde di materia coerente in un BEC. Ma mentre questi atomi vengono utilizzati, nuovi atomi sono già sulla loro strada per ricostituire il BEC. In questo modo possiamo mantenere il processo in corso, essenzialmente per sempre."
Mentre l'idea di fondo era relativamente semplice, la sua realizzazione non lo era certamente. Chun-Chia Chen, primo autore della pubblicazione su Natura , ricorda:"Già nel 2012, il team, allora ancora a Innsbruck, ha realizzato una tecnica che consentiva di proteggere un BEC dalla luce di raffreddamento laser, consentendo per la prima volta il raffreddamento laser fino allo stato degenerato necessario per le onde coerenti . Sebbene questo fosse un primo passo fondamentale verso la sfida di lunga data della costruzione di un laser ad atomi continui, era anche chiaro che sarebbe stata necessaria una macchina dedicata per andare oltre. Trasferendoci ad Amsterdam nel 2013, abbiamo iniziato con un salto di qualità. fede, fondi presi in prestito, una stanza vuota e una squadra interamente finanziata da contributi personali. Sei anni dopo, nelle prime ore della mattina di Natale 2019, l'esperimento era finalmente sul punto di funzionare. Ci è venuta l'idea di aggiungere un raggio laser in più per risolvere un'ultima difficoltà tecnica, e istantaneamente ogni immagine che abbiamo scattato ha mostrato un BEC, il primo BEC a onda continua."
Dopo aver affrontato il problema aperto di lunga data della creazione di un condensato di Bose-Einstein continuo, i ricercatori hanno ora deciso il prossimo obiettivo:utilizzare il laser per creare un raggio di materia in uscita stabile. Una volta che i loro laser non solo possono funzionare per sempre, ma possono anche produrre raggi stabili, nulla ostacola più le applicazioni tecniche e i laser materiali potrebbero iniziare a svolgere un ruolo altrettanto importante nella tecnologia come fanno attualmente i laser ordinari. + Esplora ulteriormente
