Il condensato di Bose-Einstein in un polimero luminescente
Un gruppo di ricercatori dell’IBM Research ha per la prima volta dimostrato l’esistenza di un complesso effetto quantistico, noto come condensato di Bose-Einstein (BEC), usando come “ambiente” un pezzo di plastica, più precisamente un polimero luminescente del tutto simile a quello usato per il display dei moderni smartphones.
Il condensato di Bose-Einstein in un atomo di rubidio. (Crediti: Wikipedia.org).
Vediamo anzitutto cos’è il condensato di Bose-Einstein (BEC). Che la luce si muova in pacchetti discreti (i cosiddetti quanti) è una conquista scientifica ottenuta con fatica.
Nella seconda metà del 1920, Satyendra Nath Bose stava studiando proprio questa idea: per decidere quando due fotoni dovevano essere contati come identici o differenti, Bose elaborò alcune regole, oggi note come statistica di Bose (o statistica di Bose-Einstein). Bose incontrò molte resistenze da parte della comunità scientifica; tutto cambiò quando mandò i suoi lavori ad Albert Einstein che non solo ne favorì la pubblicazione, ma suppose di estendere agli atomi quelle stesse regole in modo da capirne meglio il comportamento (ricordiamo sempre che non tutti i tipi di atomi seguono le regole della statistica di Bose).
Le nuove equazioni confermavano che a temperature molto basse le vecchie regole non avevano alcun valore: se gli atomi venivano raffreddati a sufficienza accadeva qualcosa di inaspettato. Mentre, infatti, a temperature normali gli atomi stavano su molti livelli differenti, a temperature molto basse una grande porzione di atomi improvvisamente precipitava nel più basso livello energetico (lo stato quantistico di più piccola energia).
In questo stato inusuale della materia, i bosoni perdono la loro identità individuale e si comportano come un unico atomo molto grande. Questo atomo molto grande è ciò che chiamiamo condensato di Bose-Einstein (BEC). È così rilevante perché è proprio il passaggio allo stato quantico di più bassa energia che ci permette di vedere gli effetti quantistici su scala macroscopica. La prima dimostrazione dell’esistenza di questo stato a temperature estreme risale al 1995; benché oggi sappiamo che il BEC si forma anche a temperature maggiori dello zero assoluto, la maggior parte degli studi sperimentali si affida a questo paradigma.
Nell’articolo comparso su Nature Materials gli scienziati dell’IBM hanno raggiunto questo stato a temperatura ambiente utilizzando però una pellicola di polimero non cristallino molto sottile sviluppata dai chimici dell’Università di Wuppertal in Germania. Nell’esperimento effettuato un sottile strato polimerico è posto tra due specchi ed è eccitato con un laser. Questa pellicola plastica sottile è spessa circa 35 nanometri – per capirci, in confronto un foglio di carta ha uno spessore di circa 100.000 nanometri!
Le particelle bosoniche sono create attraverso l’interazione tra il materiale polimerico e la luce che rimbalza tra i due specchi. Il fenomeno dura solo per pochi picosecondi (all’incirca un trilione di secondo), ma gli scienziati sono convinti che sarà sufficiente per usare i fotoni nella creazione di una sorgente laser che funzionerà come un commutatore ottico, un elemento fondamentale per controllare il flusso di informazioni in forma zero/uno, che potrà accelerare le prestazioni dei futuri chip con l’utilizzo di molta meno energia.
Le applicazioni sono numerose. Anzitutto nello sviluppo di dispositivi optoelettronici innovativi, tra cui troviamo i laser ad alta efficienza energetica e le componenti ottiche di switch per l’alimentazione dei sistemi informatici capaci di elaborare enormi carichi di lavoro. Senza contare i vantaggi nei termini di applicabilità e costi. Questo esperimento si situa all’interno di un progetto IBM di più ampio respiro sulla computazione quantistica che ha l’obiettivo di creare reti quantistiche capaci di sfruttare connessioni ottiche per l’elaborazione di dati ad alta velocità (si parla di petabyte ed esabyte).
Ciò consentirà di ottenere alte prestazioni in vari settori: superconduttività, reti elettriche, modelli finanziari, business intelligence, previsioni del tempo, modelli climatici, etc. “Tutto questo sarà possibile utilizzando il nostro film polimerico al posto dei soliti cristalli purissimi per i BEC”, ha spiegato Thilo Stoferle, fisico di IBM Research. “È davvero un bellissimo esempio di meccanica quantistica, dove si possono vedere direttamente le caratteristiche del mondo quantistico su scala macroscopica”.
Riferimenti: Johannes D. Plumhof, Thilo Stöferle, Lijian Mai, Ullrich Scherf, Rainer F. Mahrt, Room-temperature Bose–Einstein condensation of cavity exciton–polaritons in a polymer, in Nature Materials (2013) DOI: 10.1038/nmat3825.
