Un atomo pieno di atomi

Cosa c'è dentro un atomo? Di solito niente, ma questa risposta non deve essere piaciuta ai ricercatori delle Università di Vienna e di Harvard che hanno pensato bene di creare un atomo così grande da poter essere riempito con altri atomi.



L'Atomo di Rydberg


Immaginiamo l'atomo come una sorta di piccolo (piccolissimo) sistema solare in cui al centro al posto del sole vi è un nucleo formato da neutroni (particelle neutre) e protoni (particelle di carica positiva) e al posto dei pianeti che vi orbitano intorno ci sono gli elettroni (particelle negative). 
Naturalmente la realtà è molto più complicaa di così e richiede complessi calcoli matematici, ma per molte cose questa semplificazione è ancora oggi efficace.
Ad ogni orbita corrisponde un numero da 1 a infinito, chiamato numero quantico la cui importanza è fondamentale poichè ci fornisce informazioni specifiche sull'energia e la forma di un determinato atomo e un determinato elettrone.
Quando si fornisce una certa quantità di energia a un atomo, l'elettrone salta da un livello (cioè un'orbita) a un'altro superiore, con un numero quantico più alto, e questo atomo si dice perciò eccitato.
Normalmente i salti che un elettrone può compiere non sono particolarmente lunghi, ma utilizzando particolari tecniche e solo in alcune condizioni, gli scienziati sono riusciti a creare un atomo eccitato con un numero quantico principale molto alto, tanto che l'elettrone si trova ad orbitare anche a molte centinaia nanometri di distanza dal nucleo, cioè più di mille volte superiore al raggio di un atomo di Idrogeno.
A questo "super atomo" è stato dato il nome di Atomo di Rydberg, in onore del fisico che per primo ha descritto le lunghezze d'onda degli spettri luminosi dell'Idrogeno.

Il condensato di Bose-Einstein: un'altro stato della materia

Nella meccanica quantistica le particelle piccolissime come gli atomi sono definite anche come onde e queste onde (chiamate armoniche sferiche) possono avere una forma diversa a seconda dell'energia dell'atomo, che è continuamente in vibrazione. A temperature più alte la vibrazione e quindi l'energia dell'atomo sarà maggiore che a basse temperature.
Si prenda ora per esempio l'isotopo 23 del Sodio (cioè un atomo di Sodio con 23 neutroni) che è un isotopo bosonico, e per questo motivo gli atomi di Sodio possono avere tutti la stessa energia e la stessa funzione d'onda che li descrive, cosa che in altre condizioni sarebbe impossibile.
Il Sodio viene riscaldato fino a diventare un gas e fatto passare attraverso un foro minuscolo, fino a raggiungere la temperatura di 9000 Kelvin (più di 8700°C). Gli atomi di sodio così caldi si muovono a una velocità altissima, circa 1000 metri al secondo, e si trovano a un'energia elevatissima tanto che vanno raffreddati. Per fare questo si usano dei laser che, grazie a una serie di processi, riescono a raffreddare gli atomi di Sodio fino a una temperatura di 0.0000024 Kelvin.
A questo punto, questi atomi vengono intrappolati all'interno di un campo magnetico, in cui si avranno gli atomi più caldi in alto e quelli più freddi in basso. Passo dopo passo questa trappola magnetica raffredda ulteriormente gli atomi fino alla temperatura più bassa che è possibile raggiungere in un laboratorio, ovvero  0.000000001 Kelvin (la temperatura di 0 Kelvin, detta zero assoluto, è impossibile da raggiungere).
A temperature così basse quasi il 100% degli atomi di Sodio esistono allo stato fondamentale, cioè al livello più basso di energia possibile per un atomo e questo è possibile per il sodio proprio perchè è un atomo bosonico, come si diceva all'inizio.
Il condensato di Bose-Einstein è proprio questo stato in cui tutti gli atomi sono al livello più basso di energia ed è considerato uno stato della materia vero e proprio, esattamente come lo stato solido, liquido e gassoso.

Polarone di Rydberg: un atomo che mangia tutti gli altri

Ora, sia gli atomi di Rydberg che i condensati di Bose-Einstein sono concetti ben radicati nella fisica moderna, perciò gli scienziati hanno deciso di unirli.


In questo esperimento hanno creato un condensato di BE usando atomi di Stronzio, quindi, con un laser, ne hanno eccitato uno per creare un Atomo di Rydberg.
Il risultato è stato quello di avere un elettrone che orbita intorno a se stesso e a migliaia di altri atomi di Stronzio, inglobati in questa sorta di super atomo gigantesco che hanno chiamato Polarone di Rydberg. La cosa interessante è che poichè gli atomi non hanno carica elettrica, esercitano solo una forza minima sull'elettrone e quindi non ne distruggono l'orbita, perciò l'energia globale di tutto il sistema è minore di quella che si avrebbe se gli atomi di Stronzio non fossero intrappolati, ed il legame fra l'Atomo di Rydberg gigante e gli atomi all'interno è permesso.
Questa situazione è possibile però solo a temperature vicine allo zero assoluto, perchè a temperature più alte l'energia degli atomi è maggiore e il legame si rompe, distruggendo il polarone.
Anche questa particolare struttura è un nuovo stato della materia, chiamato stato esotico.

Potrebbe sembrare solo un giochino dei fisici, ma in realtà è una ricerca estremamente importante che permetterà di studiare la fisica degli atomi ultrafreddi, scoprire nuove proprietà della materia e, chissà , a portare anche a nuove applicazioni pratiche che potrebbero rivoluzionare la nostra vita di tutti i giorni. Basta solo aspettare e vedere.





Bibliografia:

  • https://www.nature.com/articles/nature12592
  • https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125643/
  • https://steemit.com/steemstem/@physics.benjamin/the-coldest-place-in-the-universe-is-in-our-physics-laboratories-the-bose-einstein-condensate


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