Mentre si spinge sempre più in basso la temperatura dei gas atomici per verificare le esotiche proprietà della materia previste dalla meccanica quantistica, nuove tecniche vengono elaborate per spiegare i risultati sperimentali. Il formalismo della meccanica quantistica, infatti, è molto complesso e richiede grande impegno anche per risolvere problemi relativamente semplici.
Un gruppo ricercatori della Sissa (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) di Trieste ha scoperto un metodo per calcolare in modo esatto le proprietà di un sistema di atomi interagenti in una catena lineare a basse temperature. Il risultato di questo lavoro, che risolve un problema rimasto aperto sin dal 1963, è stato pubblicato sulle prestigiose Physical Review Letters a firma di Marton Kromos, Giuseppe Mussardo e Andrea Trombettoni.
Lo studio dei gas di atomi a temperature bassissime (ormai si riesce ad arrivare fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto) sono uno dei campi più affascinanti della fisica contemporanea. In generale, i sistemi ultrafreddi consentono di simulare con grande precisione i fenomeni più diversi. Per esempio, questi tipi di gas consentono di riprodurre in laboratorio un importante fenomeno detto “condensazione di Bose-Einstein”.
Si tratta di una particolare transizione di fase la cui origine risiede nelle regole che governano la disposizione degli atomi sui livelli energetici. Gli atomi (come pure le particelle), infatti, possono essere classificati come “bosoni” o “fermioni” a seconda del tipo di statistica cui obbediscono: quella di Bose-Einstein o quella di Fermi-Dirac. Ebbene, a temperature abbastanza basse, i bosoni si sovrappongono quantisticamente e perciò diventano indistinguibili fra di loro, formando un unico oggetto coerente detto “condensato di Bose-Einstein”.
Questo fenomeno, previsto da Einstein già nel 1925, costituisce uno degli esempi più eclatanti in cui le curiose caratteristiche della materia a livello atomico e descritte dalla meccanica quantistica giungono ad avere effetti macroscopici. La condensazione di Bose-Einstein è stata riprodotta per la prima volta in un gas di atomi solo nel 1995 da Cornell e Wieman, che per questo hanno vinto il premio Nobel nel 2001.
Il gruppo del professor Mussardo ha fatto uso di un formalismo matematico che di solito viene usato per descrivere l’interazione fra particelle elementari e ne ha applicato le proprietà al sistema di interesse. Il risultato ha permesso di calcolare tutte le proprietà dinamiche del gas e la sua risposta a seguito del cambiamento di parametri esterni. La scelta di una catena lineare di atomi, quindi, si conferma un esempio particolarmente felice di concordanza fra teoria ed esperimento. Si tratta infatti di un sistema abbastanza semplice da poter essere risolto matematicamente e allo stesso tempo correttamente riproducibile in laboratorio.
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Questi sistemi, inoltre, stanno diventando sempre più interessanti per lo sviluppo dei nuovi laser atomici. Mentre i laser tradizionali si basano sulla coerenza (l’invarianza nel tempo di fase e frequenza) di un fascio di luce, i laser atomici sfruttano la coerenza degli atomi, grazie alle proprietà ondulatorie descritte dalla meccanica quantistica, e possono avere applicazioni importanti nel campo dell’elettronica.