Un team di fisici ha recentemente condotto uno studio sulle strane proprietà di un gas unidimensionale di luce, esplorando le caratteristiche di questo particolare stato della materia. Quando certe particelle vengono raffreddate vicino allo zero assoluto, si verificano fenomeni affascinanti. In particolare, si può formare il cosiddetto Condensato di Bose-Einstein (BEC), un concetto teorizzato per la prima volta da Albert Einstein, basandosi sulle ricerche del fisico Satyendra Nath Bose.
Quando un gas di bosoni – particelle subatomiche con spin intero – viene raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto, queste particelle si comportano come un’unica entità quantistica, formando un singolo oggetto quantistico spesso paragonato ad un singolo atomo. La funzione d’onda di un BEC corrisponde allo stato fondamentale di un oggetto quantistico macroscopico, come spiegato in un articolo sull’argomento.
Il BEC, stato della materia creato per la prima volta nel mondo reale nel 1995, offre una visione macroscopica del comportamento quantistico, presentando proprietà straordinarie come la viscosità zero. Ad esempio, se si versa un po’ di BEC in un bicchiere, esso si arrampicherà lungo le pareti del bicchiere. Inoltre, il BEC può sostenere vortici che possono essere utilizzati per simulare buchi neri e generare esplosioni simili a supernove, fenomeno noto come bosenova.
La creazione di un BEC può avvenire con qualsiasi particella che segua le statistiche di Bose-Einstein. Sebbene sia più semplice con i bosoni, è possibile ottenere un BEC anche con coppie di fermioni, come le coppie di Cooper, in cui gli spin a metà si combinano per formare uno spin intero, consentendo ai fermioni di occupare lo stesso stato quantistico.
I fotoni, particelle che obbediscono alle statistiche di Bose-Einstein, possono essere trasformati in un BEC senza la necessità di complessi accoppiamenti. In una recente ricerca condotta da un team dell’Università di Bonn e dell’Università di Kaiserslautern-Landau in Germania, i ricercatori sono riusciti a creare un Condensato di Bose-Einstein di luce, introducendo la complicazione aggiuntiva di generare il condensato in una e due dimensioni.
Per creare questi gas unidimensionali e bidimensionali, è stato necessario concentrare numerosi fotoni in uno spazio confinato e raffreddarli simultaneamente, come spiegato dal dottor Frank Vewinger dell’Istituto di Fisica Applicata. Il team ha riempito un minuscolo contenitore riflettente con una soluzione colorante, successivamente eccitata da un laser. Senza possibilità di fuga, i fotoni rimbalzavano sulle pareti del contenitore fino a collidere con le molecole del colorante, processo che ha portato al raffreddamento dei fotoni e alla formazione del gas condensato.
Modificando la superficie del contenitore, i ricercatori sono stati in grado di intrappolare i fotoni raffreddati in una o due dimensioni. Attraverso l’applicazione di un polimero trasparente alle superfici riflettenti, sono state create microscopiche sporgenze che hanno consentito di intrappolare i fotoni in una o due dimensioni, definendo così il comportamento del gas in modo unidimensionale o bidimensionale.
Il team ha studiato attentamente le differenze tra i BEC bidimensionali e unidimensionali, esplorando anche la transizione tra le due dimensioni. Secondo Vewinger, le fluttuazioni termiche che si verificano nei gas di fotoni sono più rilevanti in una dimensione, dove possono generare grandi onde, rispetto alle fluttuazioni trascurabili in due dimensioni.
Il team ha scoperto che, a differenza dei BEC bidimensionali che si condensano a temperature specifiche prossime allo zero assoluto, i gas di fotoni unidimensionali non presentano un punto preciso di condensazione. Nonostante l’interesse e le potenziali applicazioni per gli effetti ottici quantistici, la ricerca sul condensato unidimensionale è ancora in fase iniziale, con prospettive di ulteriori approfondimenti in studi futuri.
Lo studio dettagliato su questo argomento è stato pubblicato su Nature Physics, offrendo un’importante contributo alla comprensione dei BEC e delle loro proprietà in diverse dimensioni spaziali.
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