Condensato di Bose-Einstein: il quinto stato della materia

A scuola impariamo che la materia esiste in tre stati: solido, liquido e gassoso. Aggiungendo il plasma — il gas ionizzato di cui sono fatte le stelle — arriviamo a quattro. Ma esiste un quinto stato della materia, che non si trova spontaneamente in natura e che gli esseri umani sanno produrre soltanto da pochi decenni: il condensato di Bose-Einstein. È una forma di materia così fredda e così ordinata che migliaia di atomi smettono di comportarsi come individui e diventano un'unica entità quantistica, una sola "onda di materia".

Per capire quanto sia estremo, basti un dato: si forma a temperature di pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, più fredde dello spazio profondo, più fredde di qualsiasi luogo conosciuto dell'universo che non sia stato costruito in laboratorio dall'uomo.

Un'intuizione lunga settant'anni

La storia comincia nel 1924 con il fisico indiano Satyendra Nath Bose, che inviò ad Albert Einstein un lavoro sulla statistica dei fotoni. Einstein ne intuì subito la portata, lo fece pubblicare ed estese l'idea agli atomi. Ne ricavò una previsione audace: a temperature sufficientemente basse, un gas di particolari particelle — i bosoni — avrebbe potuto "collassare" tutto insieme nello stesso stato di energia minima, formando un nuovo aggregato di materia.

Era il 1925. Per realizzare quella previsione, però, servivano temperature che la tecnologia dell'epoca non poteva nemmeno avvicinare: frazioni di grado sopra lo zero assoluto, cioè −273,15 °C, la temperatura alla quale, in teoria, ogni movimento termico cessa. Per settant'anni la previsione di Einstein rimase sulla carta, una bella idea in attesa di una tecnologia che non esisteva ancora.

Il 1995: il quinto stato diventa realtà

Il salto avvenne il 5 giugno 1995 in Colorado. Eric Cornell e Carl Wieman, al laboratorio JILA di Boulder, raffreddarono circa duemila atomi di rubidio a 170 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Per riuscirci combinarono due tecniche: il raffreddamento laser, in cui fasci di luce rallentano gli atomi colpendoli da ogni direzione, e il raffreddamento per evaporazione, che elimina gli atomi più "caldi" lasciando solo i più lenti, esattamente come una tazza di tè si raffredda perdendo le molecole più energetiche.

A quella temperatura gli atomi rallentarono fino quasi a fermarsi e formarono il primo condensato di Bose-Einstein della storia. Pochi mesi dopo, Wolfgang Ketterle al MIT ottenne condensati molto più grandi e ne dimostrò la natura ondulatoria facendone interferire due tra loro. Nel 2001 i tre ricercatori condivisero il Premio Nobel per la Fisica.

Per capire la difficoltà dell'impresa basti pensare che lo spazio profondo, riscaldato dalla radiazione fossile del Big Bang, ha una temperatura di circa 2,7 gradi sopra lo zero assoluto. I condensati creati a Boulder erano dieci milioni di volte più freddi. Sono, a tutti gli effetti, tra gli oggetti più freddi mai esistiti nell'universo, e proprio per questo sono estremamente fragili: basta un singolo fotone di troppo, una vibrazione, un'imperfezione del vuoto, per "scaldare" il sistema e distruggere lo stato condensato in una frazione di secondo.

Cosa rende speciale questo stato

In un gas normale gli atomi sfrecciano in tutte le direzioni come api impazzite, ciascuno con la propria velocità e posizione. In un condensato accade qualcosa di profondamente contro-intuitivo: gli atomi occupano tutti lo stesso stato quantistico e diventano letteralmente indistinguibili. Non ha più senso chiedersi "dov'è l'atomo numero 1437": esiste solo l'insieme, descritto da un'unica funzione d'onda.

La materia mostra così apertamente la sua natura ondulatoria, che di solito resta nascosta nel mondo microscopico e invisibile alla nostra esperienza quotidiana. È come se l'aspetto "quantistico" della realtà, normalmente confinato alle singole particelle, si manifestasse su scala visibile al microscopio. A condizioni simili si osservano fenomeni straordinari come la superfluidità, in cui un fluido scorre senza alcun attrito e può risalire le pareti di un contenitore: comportamenti collettivi che solo questo ordine quantistico estremo rende possibili.

A cosa serve oggi

Il condensato di Bose-Einstein non è una semplice curiosità da laboratorio. È diventato uno strumento di precisione straordinaria. Permette di costruire interferometri atomici e orologi ultra-precisi, di simulare materiali complessi e fenomeni quantistici difficili da studiare altrimenti, e di sondare le leggi fondamentali della fisica, dalla gravità alle costanti di natura.

Nel 2018 la NASA ha persino installato il Cold Atom Laboratory a bordo della Stazione Spaziale Internazionale: in microgravità i condensati non "cadono" sul fondo della trappola e durano molto più a lungo, permettendo misure impossibili sulla Terra.

C'è anche un risvolto teorico affascinante. Alcuni fisici studiano i condensati come "laboratori analoghi" per fenomeni cosmici altrimenti inaccessibili: si è cercato di riprodurre al loro interno l'equivalente acustico di un buco nero, per osservare una versione misurabile della radiazione di Hawking. Da un'intuizione del 1925 a un esperimento da Nobel, fino all'orbita terrestre e ai buchi neri da tavolo: il quinto stato della materia ci ricorda che la fisica quantistica non riguarda solo l'infinitamente piccolo, ma può diventare visibile, tangibile e perfino utile.