Le magiche proprieta’ degli oggetti quantistici macroscopici

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Introduzione: La storia del gatto di Schroedinger mezzo vivo e mezzo morto mostra  come le proprieta’ quantistiche di oggetti microscopici come l’atomo sono paradossali se applicate a oggetti macroscopici come il famoso gatto. Ma e’ proprio vero che non ci sono oggetti quantistici macroscopici? No, tali oggetti esistono ed hanno delle proprieta’ straordinarie. Benvenuti nel mondo dei materiali bosonici!

Cose da fare:  L’immagine porta all’unita’ 6 del materiale didattico del corso online Physics for the 21st century. Qui trovate un’introduzione e l’indice. Si consiglia di cominciare dal video per entrare nel vivo dell’argomento. Poi passate a Visuals dove potete far partire  voi stessi delle animazioni  (gia’ viste nel video) che mostrano vari fenomeni in dettaglio. Ci sono anche tutte le immagini e un video aggiuntivo che mostra lo straordinario comportamento dell’elio superfluido.Invece interactive lab e’ un’applicazione interattiva dove potete provare a rallentare gli atomi usando un laser fino a fermarli. Se non avete problemi con l’inglese, allora  continuate cominciando prima con Facilitator’s guide una guida all’uso del materiale e poi col testo delle lezioni vere e proprie di cui vedete l’indice sulla destra in basso.

Cosa succede: Oggetti quantistici macroscopici sono innazitutto i laser che si basano sui fotoni, i quanti di luce. Ma i primi materiali ad essere stati scoperti sono stati i materiali superconduttori e in seguito quelli superfluidi. Alla base del laser e di questi materiali c’e’ il fatto di essere composti di bosoni e non di fermioni (per questo si parla di materiali bosonici).I bosoni a differenza dei fermioni che formano la materia “ordinaria” non seguono il principio di Pauli : cioe’ possono essere presenti in numero qualsiasi nello stesso stato quantico. Tanto per intenderci : se un gatto fosse fatto da bosoni si ridurrebbe a un puntino.

I fotoni sono dei bosoni e un laser e’ ottenuto accumulando fotoni in grandissimo numero  nello stesso stato quantico. Per i materiali superconduttori invece  abbiamo la trasformazione a bassa temperatura delle nuvole di elettroni presenti nei conduttori ordinari (gli elettroni sono fermioni)  in bosoni ottenuti da accoppiamenti 2 a 2 degli stessi elettroni. Cioe’ nei superconduttori abbiamo un gas di coppie di elettroni. Sono queste  coppie  che formano un unico stato quantistico correlato e riescono a  circolare senza resistenza nel superconduttore. Queste sono le coppie BCS (dal nome degli scienziati che hanno scoperto il fenomeno). Qualcosa di analogo avviene nei liquidi superfluidi che si mettono a scorrere  senza viscosita’.

Tipicamente in un materiale superconduttore abbiamo    1023  elettroni tutti nello stesso stato. Ma possiamo avere materiali bosonici formati anche da atomi : e’ stato infatti scoperto un nuovo stato della materia , chiamato BEC (Bose-Einstein condensate) , un sistema quantistico gassoso macroscopico formato da accoppiamenti bosonici di atomi fermionici.

Nel video viene mostrato il lavoro di due scienziati in 2 laboratori all’avanguardia in questo campo: in un laboratorio si usa lo STM (Scanning tunnelling microscope) per capire come funzionano i materiali superconduttori . Nel secondo laboratorio si creano e si studiano i materiali BEC.

Questa ricerca ha grande interesse pratico in quanto la superconduttivita’ viene gia’ usata per generare grossi campi magnetici usati nella visualizzazione medica MRI, nei treni a levitazione magnetica e negli acceleratori di particelle come LHC. Il suo utilizzo attuale e’ molto limitato a causa dei costi astronomici necessari per congelare il materiale quasi allo zero assoluto. Per questo si cerca di capire come funzionano questi cambiamenti di fase quantistica che portano alla creazione di materiali bosonici con innumerevoli particelle correlate (il famoso entanglement)  per vedere se non sia possibile produrli anche a temperatura ambiente.

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