Il quinto stato della materia: i condensati Bose Einstein / The fifth state of matter: Bose Einstein condensates

Il quinto stato della materia: i condensati Bose Einstein / The fifth state of matter: Bose Einstein condensates

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli atomi di rubidio super freddi hanno formato una nuvola chiamata condensato di Bose-Einstein, definito anche il "quinto stato della materia", che potrebbe aiutarci a capire le proprietà quantistiche degli atomi ultra freddi.

In un esperimento sul “quinto stato della materia” effettuato sulla ISS, la Stazione Spaziale Internazionale, è stata raggiunta la temperatura più bassa mai registrata.

Nell’esperimento sono stati utilizzati atomi di rubidio che sono stati portati ad una temperatura pari a circa 100 nano kelvin, cioè un decimilionesimo di un kelvin sopra lo zero assoluto.

Gli atomi di rubidio super freddi hanno formato una nuvola chiamata condensato di Bose-Einstein, definito anche il “quinto stato della materia”, che potrebbe aiutarci a capire le proprietà quantistiche degli atomi ultra freddi.

La ricerca è proseguita utilizzando il Cold Atom Laboratory del Jet Propulsion Laboratory. A bordo della ISS i ricercatori hanno proseguito a produrre condensati di Bose-Einstein a meno di un nano Kelvin sopra lo zero assoluto, sfruttando le condizioni di microgravità per capire meglio il comportamento del quinto stato della materia.

Il quinto stato della materia, cos’è un condensato di Bose Einstein

I condensati di Bose-Einstein sono composti da bosoni raffreddati ad una frazione sopra lo zero assoluto.

Ciò porta gli stessi bosoni nel loro stato a bassa energia, e muovendosi molto lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producono una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “super-atomo”.

Poiché la meccanica quantistica, in cui ogni particella può essere descritta come un’onda, è più facile da osservare su scala atomica, i condensati di Bose-Einstein permettono agli scienziati di studiare il comportamento quantistico su una scala molto più ampia.

Gli scienziati possono realizzare in laboratorio i condensati di Bose-Einstein usando una combinazione di laser, campi magnetici e raffreddamento per evaporazione.

Quest’ultima tecnica è il passo conclusivo: gli atomi sono tenuti in una trappola magnetica e la radiazione a radiofrequenza viene utilizzata per far “evaporare” le particelle più energetiche, lasciando indietro quelle fredde e lente che formano cosi il quinto stato della materia.

Una volta ottenuto il “super atomo”, la trappola viene spenta e gli scienziati possono eseguire i loro esperimenti, ma devono farlo in fretta, in quanto la forza repulsiva esistente tra gli atomi farà espandere e dissipare il condensato.

Per effetto della gravità questo processo avviene abbastanza velocemente, un condensato di Bose Einstein permane solo poche decine di millisecondi.

A bordo della ISS in regime di microgravità, gli scienziati possono invece creare un condensato di Bose-Einstein che può durare più di un secondo.

L’impatto ridotto della gravità inoltre permette al condensato di comportarsi come un disco appiattito che consente una migliore finestra di osservazione sia prima che appena dopo il suo rilascio.

Questo è ciò che i ricercatori hanno fatto con il Cold Atom Laboratory, ma quando hanno sondato i condensati che hanno prodotto, hanno trovato effetti impossibili da verificarsi nella gravità terrestre.

Cosi spiegano i ricercatori:

“Troviamo che il raffreddamento per evaporazione indotto dalla radiofrequenza rivela risultati marcatamente diversi nella microgravità. Osserviamo un aumento in orbita del numero di atomi di quasi tre volte.

Attraverso l’applicazione di vari gradienti di campo magnetico, confermiamo che circa la metà degli atomi sono nello stato magneticamente insensibile | 2, 0⟩, formando un alone attorno alla posizione della trappola magnetica“.

Il quinto stato della materia e la gravità

Sulla Terra, la gravità è la forza che maggiormente agisce sugli atomi del condensato rimuovendoli dalla trappola. Nello spazio, riuscire a osservare più da vicino il “quinto stato della materia” ha rivelato un alone di atomi di rubidio sciolti che si librano attorno ai bordi della nuvola di bosoni.

Grazie alla tecnica utilizzata per raffreddare il condensato, questi atomi sono poco influenzati dalla trappola magnetica.

Negli esperimenti a terra solitamente la gravità li allontana. Ma in regime di micro gravità, rimangono ai bordi del condensato, fornendo una risorsa ultra-fredda potenzialmente utile per studi futuri.

La fattibilità della produzione di condensati di Bose-Einstein più freddi e di maggior durata significa inoltre che possiamo iniziare a pensare ad altri modi in cui possiamo studiarli.

Ad esempio, è possibile creare trappole impossibili da realizzare sulla Terra per vedere se si possono osservare diversi comportamenti quantistici.

Le proprietà d’onda dei condensati di Bose-Einstein sono potenzialmente utili per gli interferometri atomici, che possono essere utilizzati per misurare costanti fisiche fondamentali.

ENGLISH

The super-cold rubidium atoms formed a cloud called the Bose-Einstein condensate, also called the "fifth state of matter," which could help us understand the quantum properties of ultra-cold atoms.

In an experiment on the "fifth state of matter" carried out on the ISS, the International Space Station, the lowest temperature ever recorded was reached.

The experiment used rubidium atoms which were brought to a temperature equal to approximately 100 nano kelvin, that is, one ten-millionth of a kelvin above absolute zero.

The super-cold rubidium atoms formed a cloud called the Bose-Einstein condensate, also called the “fifth state of matter,” which could help us understand the quantum properties of ultra-cold atoms.

The research continued using the Jet Propulsion Laboratory's Cold Atom Laboratory. On board the ISS, researchers continued to produce Bose-Einstein condensates at less than one nano Kelvin above absolute zero, exploiting microgravity conditions to better understand the behavior of the fifth state of matter.

The fifth state of matter, what is a Bose Einstein condensate

Bose-Einstein condensates are composed of bosons cooled to a fraction above absolute zero.

This brings the bosons themselves into their low-energy state, and by moving very slowly and getting close enough to overlap, they produce a cloud of high-density atoms that behaves like a “super-atom.”

Because quantum mechanics, in which each particle can be described as a wave, is easier to observe on an atomic scale, Bose-Einstein condensates allow scientists to study quantum behavior on a much larger scale.

Scientists can make Bose-Einstein condensates in the laboratory using a combination of lasers, magnetic fields and evaporative cooling.

This last technique is the final step: the atoms are kept in a magnetic trap and radio frequency radiation is used to make the most energetic particles "evaporate", leaving behind the cold and slow ones which thus form the fifth state of matter.

Once the “super atom” is obtained, the trap is turned off and scientists can perform their experiments, but they must do so quickly, as the repulsive force between the atoms will cause the condensate to expand and dissipate.

Due to the effect of gravity this process occurs quite quickly, a Bose Einstein condensate lasts for only a few tens of milliseconds.

On board the ISS in microgravity, scientists can instead create a Bose-Einstein condensate that can last more than a second.

The reduced impact of gravity also allows the condensate to behave like a flattened disk which allows for a better observation window both before and just after its release.

This is what researchers did with the Cold Atom Laboratory, but when they probed the condensates they produced, they found effects impossible to occur in Earth's gravity.

This is how the researchers explain:

“We find that radiofrequency-induced evaporative cooling reveals markedly different results in microgravity. We observe an increase in the number of atoms in orbit by almost three times.

Through the application of various magnetic field gradients, we confirm that approximately half of the atoms are in the magnetically insensitive state | 2, 0⟩, forming a halo around the location of the magnetic trap."

The fifth state of matter and gravity

On Earth, gravity is the force that most acts on the atoms of the condensate, removing them from the trap. In space, getting a closer look at the “fifth state of matter” revealed a halo of loose rubidium atoms hovering around the edges of the boson cloud.

Thanks to the technique used to cool the condensate, these atoms are little affected by the magnetic trap.

In ground experiments, gravity usually pulls them away. But in microgravity, they remain at the edge of the condensate, providing a potentially useful ultra-cold resource for future studies.

The feasibility of producing cooler, longer-lived Bose-Einstein condensates also means we can start thinking about other ways we can study them.

For example, it is possible to create traps that are impossible to make on Earth to see if different quantum behaviors can be observed.

The wave properties of Bose-Einstein condensates are potentially useful for atomic interferometers, which can be used to measure fundamental physical constants.

Da:

https://reccom.org/quinto-stato-della-materia/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR31GxC5zzQw-G-Uq6HtDwZtgdQw0OvWyy3jR1mWEX1xF3ncYGPQQBzeAfA_aem_AE3ybCMk-2tgtFt7U4zEOg