Gli scienziati hanno descritto il processo di creazione di una sostanza raggiunta a una temperatura “a un capello” dallo zero assoluto.
Che cos'è un condensato di Bose-Einstein?
Condensato di Bose-Einstein - stato di aggregazioneuna sostanza basata su bosoni raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. A volte è chiamato il quinto stato della materia, insieme a solidi, liquidi, gas e plasma. Previsto teoricamente all’inizio del XX secolo, il condensato di Bose-Einstein, o BEC, è stato creato in laboratorio solo nel 1995. Forse è anche lo stato più strano della materia, e molto di esso rimane sconosciuto alla scienza.
Lo zero assoluto è la temperatura ain cui le molecole fermano qualsiasi movimento. Corrisponde a –273,15 °C, ovvero zero sulla scala Kelvin. Quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto cominciano a verificarsi fenomeni piuttosto strani.
Foto: NIST/Wikimedia Commons
Il BEC si verifica quando un gruppo di atomi si raffreddacon precisione fino ai milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. In genere, i fisici utilizzano laser e trappole magnetiche per abbassare continuamente la temperatura di un gas composto da atomi di rubidio. A una temperatura così bassa, gli atomi difficilmente si muovono e iniziano a comportarsi in modo molto strano.
Sono nella stessa cosastato quantistico – quasi come i fotoni coerenti in un laser – e iniziano a restare uniti, occupando lo stesso volume di un indistinguibile superatomo. Un insieme di atomi si comporta essenzialmente come una particella.
Condensato di Bose-Einstein e calcolo quantistico
Al momento, il BEC è importante per i fondamentaliricerca e modellizzazione di sistemi di materia condensata. Tuttavia, è utile anche nell’elaborazione delle informazioni quantistiche. L’informatica quantistica, che è ancora nelle sue fasi iniziali di sviluppo, utilizza una varietà di sistemi. Ma dipendono tutti dal fatto che i bit quantistici, o qubit, si trovino nello stesso stato quantistico.
La maggior parte dei BEC sono costituiti da gas diluiti di atomi ordinari. Ma finora non è stato possibile creare un condensato da atomi esotici.
Cosa sono gli atomi esotici?
Gli atomi esotici sono quelli in cuiuna particella subatomica, come un elettrone o un protone, viene sostituita da un'altra particella subatomica con la stessa carica. Il positronio, ad esempio, è un atomo esotico costituito da un elettrone e dalla sua antiparticella carica positivamente, il positrone.
L’eccitone è un altro esempio di “esotismo” atomico.Quando la luce colpisce un semiconduttore, ha energia sufficiente per eccitare gli elettroni e spostarsi dal livello di valenza dell'atomo al suo livello di conduzione. Questi elettroni eccitati fluiscono quindi liberamente in una corrente elettrica, convertendo essenzialmente l’energia luminosa in energia elettrica. Quando un elettrone carico negativamente fa questo "salto", lo spazio rimanente può essere pensato come una particella caricata positivamente. L'elettrone negativo e lo spazio vuoto positivo vengono attratti e quindi si legano.
Insieme questa coppia elettrone-spazialeè una quasiparticella elettricamente neutra conosciuta come eccitone. Una quasiparticella è una “entità” simile a una particella che non è considerata una delle 17 particelle elementari nel Modello Standard della fisica delle particelle.
Il modello standard è un costrutto teorico infisica delle particelle elementari, che descrive l'interazione elettromagnetica, debole e forte di tutte le particelle elementari. La formulazione moderna è stata completata negli anni 2000 dopo la conferma sperimentale dell'esistenza dei quark.
Tuttavia, potrebbe ancora averlo fattoproprietà di una particella elementare - come carica e rotazione. Una quasiparticella eccitonica può anche essere descritta come un atomo esotico. Questo perché in realtà è un atomo di idrogeno, con il suo singolo protone positivo sostituito da un singolo vuoto con carica positiva.
I ricercatori hanno applicato una tensione non uniforme utilizzando una lente montata sotto il campione (cubo rosso).
Credito immagine e copyright: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka e Makoto Kuwata-Gonokami, Università di Tokyo
Esistono due tipi di eccitoni:ortoeccitoni, in cui lo spin dell'elettrone è parallelo allo spin della sua lacuna, e paraeccitoni, in cui lo spin dell'elettrone è antiparallelo (parallelo, ma nella direzione opposta) allo spin del suo vuoto (lacuna).
Come venivano usati in passato i sistemi a vuoto di elettroni?
Sono stati utilizzati sistemi di lacune elettronichecreando altre fasi della materia, come il plasma di lacune elettroniche e persino goccioline liquide eccitoniche. Ora gli scienziati volevano vedere se potevano creare un BEC dagli eccitoni.
Il punto è quell'osservazione diretta dell'eccitoneIl condensato in un semiconduttore tridimensionale è stato molto richiesto da quando i teorici lo proposero nel 1962. Nessuno sapeva se le quasiparticelle potessero subire la condensazione di Bose-Einstein allo stesso modo delle particelle reali”. Come spiegano gli autori del nuovo studio, “questo è una sorta di Santo Graal della fisica delle basse temperature”.
Tentativi in passato
Gli scienziati credevano che fosse simile all'idrogenoI paraeccitoni creati nell'ossido rameoso (Cu₂O), un composto di rame e ossigeno, sono più adatti per fabbricare BEC eccitonici in semiconduttori sfusi. Tutto a causa della loro lunga durata. Tentativi di creare un BEC paraeccitone a temperature dell'elio liquido di circa 2 Kelvin (-271,15 °C) furono fatti negli anni '90, ma non ebbero successo. Il problema è che la creazione di un BEC dagli eccitoni richiede temperature molto inferiori a questa.
Gli ortoeccitoni non possono raggiungere un livello così bassotemperature, perché hanno vita troppo breve. Tuttavia, è sperimentalmente ben noto che i paraeccitoni hanno vite estremamente lunghe, superiori a diverse centinaia di nanosecondi, un tempo sufficiente per raffreddarli alla temperatura BEC desiderata.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Come parte dell'esperimento, i fisici hanno catturatoparaeccitoni in una massa di Cu₂O con temperatura inferiore a 400 mK (millikelvin). Per fare ciò, hanno utilizzato un frigorifero a dissoluzione, un dispositivo specificamente criogenico. Gli scienziati lo stanno utilizzando nel tentativo di realizzare computer quantistici.
Il frigorifero a diluizione è un dispositivo criogenico,proposto per la prima volta da Heinz London. Il processo di raffreddamento utilizza una miscela di due isotopi di elio: ³He e ⁴He. Quando viene raffreddata sotto i 700 mK, la miscela subisce una separazione di fase spontanea, formando fasi ricche di ³He e ricche di ⁴He.
Primo piano dell'apparato in un frigorifero non criogenicodissolversi. Il cristallo cubico rosso scuro al centro dell'immagine è ossido rameoso. Crediti: Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka e Makoto Kuwata-Gonokami, Università di Tokyo
Hanno quindi ripreso direttamente l'eccitone BECnello spazio reale. Sono stati aiutati dall’imaging con assorbimento indotto nella gamma del medio infrarosso. Questo è un tipo di microscopia che utilizza la luce nella gamma del medio infrarosso. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di effettuare misurazioni precise, comprese la densità e la temperatura degli eccitoni. A sua volta, ciò ha permesso loro di notare le differenze e le somiglianze tra il BEC eccitonico e il BEC atomico convenzionale.
Qual è il prossimo?
Gli scienziati non si fermeranno quiraggiunto. Il prossimo passo sarà studiare la dinamica della formazione di un BEC eccitonico in un semiconduttore sfuso e studiare le eccitazioni collettive di un BEC eccitonico.
Di conseguenza, i fisici sperano di costruire una piattaformabasato su un sistema di BEC eccitonici. Ciò aiuterà a chiarire le sue proprietà quantistiche e a comprendere meglio la meccanica quantistica dei qubit, che sono fortemente accoppiati al loro ambiente.
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In copertina: press.princeton.edu