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Svolta nella fisica delle particelle: arriva il superfotone

Creato Giovedì, 07 Aprile 2011 09:50 Scritto da Roberta De Carolis

I fisici escludevano che potesse succedere e invece l’esperimento contrario alle previsioni è arrivato: anche i componenti primi delle luce, i fotoni, possono dare luogo al ‘Condensato di Bose-Einstein’, un nuovo stato della materia, alternativo ai classici solido, liquido e aeriforme, teorizzato nei primi anni ’20 del secolo scorso e realizzato sperimentalmente per la prima volta nel 1995 con gli atomi di un gas portati a temperature estremamente basse. La notizia arriva dall’Università di Bonn (Germania) e il lavoro è stato pubblicato su Nature.

Il condensato di Bose-Einstein è uno stato della materia che si ottiene raffreddando a temperature prossime allo zero assoluto (ovvero -273.15°C) alcuni tipi di particelle chiamati ‘bosoni’, che si differenziano da altre chiamate ‘fermioni’ (come gli elettroni) sostanzialmente per la non obbedienza ad una legge della fisica quantistica nota come ‘Principio di esclusione Pauli’, secondo il quale non è possibile che più di un fermione si trovi nel medesimo stato. I bosoni – e in questa categoria rientrano i fotoni - possono invece affollarsi nelle stesse condizioni quantistiche, creando a basse temperature il condensato, nel quale la maggior parte delle particelle si trova alla minima energia.

Gli scienziati pensavano tuttavia che i fotoni, pur essendo bosoni e quindi obbedendo alla stessa teoria, non potessero di fatto trovarsi in questo stato perché, essendo privi di massa, non fosse possibile raffreddarli e concentrarli allo stesso tempo. In altre parole si riteneva che, privandoli di energia con il raffreddamento, questi scomparissero di fatto nell’ambiente circostante. Tuttavia un brillante espediente ideato dai ricercatori ha aperto una strada nuova per la scienza, tanto che il fisico James Anglin della Germany's Technical University Kaiserslautern (Germania), estraneo a questo studio, ha definito l’esperimento un ‘risultato decisivo’.

Il marchingegno utilizzato per generare il condensato con i fotoni è di fatto un contenitore le cui pareti sono specchi posti a distanza ridottissima l’uno dall’altro (circa un micron, ovvero 100 volte meno dello spessore di un capello umano), all’interno del quale sono state poste delle molecole che assorbono e poi riemettono la luce. In questo modo i fotoni che entrano nel contenitore rimbalzano da una parete all’altra e restano quindi intrappolati. Scambiandosi continuamente energia termica, alla fine le particelle raggiungono tutte la stessa temperatura, pari a quella della stanza dove si trova il congegno. E quando tale temperatura viene portata ad un valore prossimo allo zero assoluto, i fotoni raggiungono lo stato di condensato di Bose-Einstein e sono chiamati dai ricercatori ‘superfotoni’.

“Se la temperatura è sufficientemente bassa per generare il condensato dipende dalla densità delle particelle – spiega in realtà Jan Klärs, coautore dello studio - I gas atomici ultra freddi (come quello utilizzato nel primo esperimento del 1995, N.d.R.) hanno densità bassissime e quindi necessitano di una temperatura prossima allo zero assoluto per condensare. Il nostro sistema invece è costituito da fotoni a densità elevata e quindi nel nostro caso il condensato si forma già a temperatura ambiente”.

L’esperimento, dal punto di vista teorico, è importantissimo perché conferma la natura dualistica dei fotoni, ovvero il fatto che essi si possano comportare sia come onde (infatti rimbalzano sugli specchi), che come particelle vere e proprie (infatti condensano). Un’applicazione pratica invece di questo importante passo compiuto dalla ricerca potrebbe essere la messa a punto di nuovi laser che generano fasci di luce cortissimi nel range dei raggi UV o X. Ma per ottenerlo realmente “saranno necessari molti anni” afferma Martin Weitz, collega di Klärs.

Roberta De Carolis