più fermioni, che normalmente non possono occupare lo stesso stato quantico, possono raggiungere uno stato noto come condensato fermionico, dove tutti raggiungono la configurazione a più bassa energia possibile. Questo è il sesto stato della materia. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Quanti stati della materia esistono? Quando eri giovane, probabilmente hai imparato i tre che sono più comuni alla nostra esperienza: solido, liquido e gas. Tutti questi sono presenti con regolarità qui sulla superficie terrestre: le rocce e i ghiacci sono solidi, l’acqua e molti oli sono liquidi, mentre l’atmosfera che respiriamo è un gas. Questi tre stati comuni della materia sono tutti basati su atomi neutri, tuttavia; restrizioni a cui l’Universo non è legato.
Se si bombarda qualsiasi atomo con abbastanza energia, si cacceranno gli elettroni da esso, creando un plasma ionizzato: il quarto stato della materia. Ma esistono altri due stati della materia: I condensati di Bose-Einstein e i condensati fermionici, il quinto e il sesto stato della materia. Al momento, sono raggiungibili solo in condizioni estreme di laboratorio, ma potrebbero avere un ruolo importante nell’Universo stesso. Ecco perché.
significativamente può risultare in un solido (ghiaccio) o in un gas (vapore acqueo), a seconda della temperatura e della rapidità della transizione. A temperature sufficientemente elevate, tutta la materia basata sugli atomi diventerà un plasma ionizzato: il quarto stato della materia. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Qui sulla Terra, tutto è fatto di atomi. Alcuni atomi si legano insieme per formare molecole; altri atomi esistono come entità indipendenti. Indipendentemente dal numero di atomi in ogni particolare composto chimico – acqua, ossigeno, metano, elio, ecc. – la combinazione di condizioni di temperatura e pressione determina se è un solido, un liquido o un gas.
L’acqua, la più famosa, congela a basse temperature e pressioni modeste, diventa liquida a pressioni più elevate e/o a temperature più alte, e diventa un gas a temperature ancora più elevate o a pressioni molto basse. C’è una temperatura critica, tuttavia, sopra circa 374 °C (705 °F), alla quale questa distinzione si rompe. A basse pressioni, si ottiene ancora un gas; a pressioni più alte, si ottiene un fluido supercritico con proprietà sia di gas che di liquido. Vai a temperature ancora più alte, e comincerai a ionizzare le molecole, creando un plasma: quel quarto stato della materia.
a volte, se le temperature/energie delle particelle sono abbastanza alte, creano uno stato temporaneo conosciuto come un plasma quark-gluon: dove anche i singoli protoni e neutroni non possono formarsi stabilmente. Questo è l’analogo nucleare di un plasma più standard, dove elettroni e nuclei non riescono a legarsi insieme per formare atomi stabili e neutri. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Anche se è qui che finisce la maggior parte delle discussioni sugli stati della materia, non è certo la fine della storia scientifica. In verità, è solo la fine della parte atomica della storia. Per il resto, dobbiamo avventurarci nel mondo subatomico: il mondo delle particelle più piccole dell’atomo. Ne abbiamo già incontrato uno: l’elettrone, che è una delle particelle fondamentali del Modello Standard.
Gli elettroni sono le particelle caricate negativamente negli atomi che orbitano intorno al nucleo atomico, le stesse particelle che si staccano ad alte energie per formare un plasma ionizzato. Il nucleo atomico, nel frattempo, è composto da protoni e neutroni, che a loro volta sono composti da tre quark ciascuno. All’interno dei protoni e dei neutroni, i gluoni, così come le coppie quark-antiquark, vengono costantemente creati, distrutti, emessi e assorbiti da ciascuna di queste particelle composite. È un mondo subatomico disordinato dentro ogni protone e neutrone.
il suo spin, ma anche i gluoni, i quark e gli antiquark del mare, e il momento angolare orbitale. La repulsione elettrostatica e la forza nucleare forte attrattiva, in tandem, sono ciò che dà al protone la sua dimensione, e le proprietà di miscelazione dei quark sono necessarie per spiegare la serie di particelle libere e composte nel nostro universo. I singoli protoni, nel complesso, si comportano come fermioni, non come bosoni. APS/Alan Stonebraker
Ecco il punto chiave che ci porterà al quinto e sesto stato della materia: ogni particella nell’Universo, non importa se è una particella fondamentale o composita, rientra in una delle due categorie.
- Fermione. Questa è una particella che, quando misuriamo il suo spin (o momento angolare intrinseco), otteniamo sempre valori quantizzati in valori semintegrali della costante di Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2, ecc.
- Bosone. Questa è una particella che, quando misuriamo il suo spin, otteniamo sempre valori quantizzati in valori interi della costante di Planck: 0, ±1, ±2, ecc.
Ecco. In tutto l’Universo conosciuto, non ci sono particelle – fondamentali o composte – che rientrano in qualsiasi altra categoria. Tutto ciò che abbiamo misurato si comporta o come un fermione o come un bosone.
Il modello obbedisce a ogni sorta di leggi di conservazione, ma ci sono differenze fondamentali tra particelle fermioniche e antiparticelle e bosoniche. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Gli elettroni, essendo particelle fondamentali con rotazioni di ±½, sono ovviamente fermioni. Protoni e neutroni, ognuno dei quali è composto da tre quark ciascuno, hanno anch’essi rotazioni che possono essere solo ±½, poiché lo spin di un quark si opporrà sempre allo spin degli altri due. Tuttavia, se si legano insieme un protone e un neutrone, si crea una particella composta nota come deutone: il nucleo atomico di un isotopo pesante dell’idrogeno noto come deuterio.
Un deutone, che è un fermione legato insieme a un altro fermione, si comporta sempre come un bosone. (Perché ±½ + ±½ può essere uguale solo a -1, 0 o +1: i valori di spin di un bosone). Che si tratti di particelle fondamentali o composite, fermioni e bosoni mostrano una differenza chiave l’uno dall’altro. Sì, i loro spin sono diversi, ma questa differenza porta a una conseguenza sorprendente: i fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli; i bosoni no.
comprese le molecole organiche e i processi biologici, è possibile solo grazie alla regola di esclusione di Pauli che governa gli elettroni, vietando che due di loro occupino lo stesso stato quantico. Jenny Mottar
Il principio di esclusione di Pauli è uno dei capisaldi chiave che è stato scoperto nei primi giorni della meccanica quantistica. Esso afferma che due fermioni non possono occupare esattamente lo stesso stato quantico l’uno dell’altro.
Questo entra in gioco quando cominciamo a mettere elettroni su un nucleo atomico completamente ionizzato. Il primo elettrone scenderà nella configurazione a più bassa energia possibile: lo stato fondamentale. Se si aggiunge un secondo elettrone, anch’esso cercherà di scendere allo stato fondamentale, ma scoprirà che è già occupato. Per minimizzare l’energia della sua configurazione, scende nello stesso stato, ma deve avere il suo spin invertito: +½ se il primo elettrone era -½; -½ se il primo era +½. Ogni ulteriore elettrone ha bisogno di andare in uno stato di energia progressivamente più alto e più alto; due elettroni non possono avere la stessa esatta configurazione quantica nello stesso sistema fisico.
corrispondono a diversi stati all’interno di un atomo di idrogeno. A causa della natura di spin = 1/2 dell’elettrone, solo due (+1/2 e -1/2 stati) elettroni possono essere in qualsiasi stato contemporaneamente. PoorLeno / Wikimedia Commons Ma questo non è vero per i bosoni. Puoi mettere tutti i bosoni che vuoi nella configurazione dello stato fondamentale, senza restrizioni. Se si creano le giuste condizioni fisiche – come raffreddare un sistema di bosoni e confinarli nello stesso luogo fisico – non c’è limite al numero di bosoni che si possono inserire in quello stato di minima energia. Quando si raggiunge questa configurazione, di molti bosoni tutti nello stesso stato quantico di minima energia, si è raggiunto il quinto stato della materia: un condensato di Bose-Einstein.
L’elio, un atomo fatto di due protoni, due neutroni e quattro elettroni, è un atomo stabile fatto di un numero pari di fermioni, e quindi si comporta come un bosone. A temperature abbastanza basse, diventa un superfluido: un fluido con viscosità zero e nessun attrito tra se stesso o qualsiasi contenitore con cui interagisce. Queste proprietà sono una conseguenza della condensazione di Bose-Einstein. Mentre l’elio è stato il primo bosone a raggiungere questo quinto stato della materia, da allora è stato riprodotto per gas, molecole, quasi-particelle e persino fotoni. Resta un’area attiva di ricerca ancora oggi.
prima (L), durante (centro) e dopo (R) la transizione verso uno stato BEC è completa. Il grafico mostra scatti tridimensionali successivi nel tempo in cui gli atomi si sono condensati da aree rosse, gialle e verdi meno dense in aree blu e bianche molto dense. NIST/JILA/CU-Boulder
I fermioni, d’altra parte, non possono essere tutti nello stesso stato quantico. Le stelle nane bianche e le stelle di neutroni non collassano a causa del principio di esclusione di Pauli; gli elettroni in atomi adiacenti (nelle nane bianche) o i neutroni che confinano tra loro (nelle stelle di neutroni) non possono collassare completamente sotto la loro stessa gravità, a causa della pressione quantica fornita dal principio di esclusione di Pauli. Lo stesso principio che è responsabile della struttura atomica impedisce a queste dense configurazioni di materia di collassare in buchi neri; due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico.
Come si può allora raggiungere il sesto stato della materia: un condensato fermionico? Che ci crediate o no, la storia dei condensati fermionici risale agli anni 50, con un’incredibile scoperta del fisico premio Nobel Leon Cooper. Il termine che vorrete ricordare prende il suo nome: Cooper pairs.
gli elettroni carichi cambieranno leggermente le configurazioni delle cariche positive nel conduttore, facendo sì che gli elettroni sperimentino una forza relativa leggermente attraente. Questo porta all’effetto di farli accoppiare per formare coppie di Cooper, la prima forma di condensato fermionico mai scoperta. Tem5psu / Wikimedia Commons
A basse temperature, ogni particella tende verso la sua più bassa energia, configurazione di stato fondamentale. Se si prende un metallo conduttore e si abbassa sufficientemente la temperatura, due elettroni di spin opposti si accoppieranno; questa piccola attrazione farà sì che gli elettroni si accoppino in una configurazione meno energetica e più stabile che avere tutti gli elettroni che si muovono individualmente.
I condensati fermionici richiedono temperature più basse di quelle dei condensati di Bose-Einstein, ma si comportano anche come un superfluido. Nel 1971, l’elio-3 (con un neutrone in meno dell’elio standard) ha dimostrato di diventare un superfluido a temperature inferiori a 2,5 millikelvin, la prima dimostrazione di un superfluido che coinvolge solo fermioni. Nel 2003, il laboratorio della fisica Deborah Jin ha creato il primo condensato fermionico su base atomica, sfruttando un forte campo magnetico insieme a temperature ultrafredde per spingere gli atomi in questo stato ricercato.
stati comuni della materia, a temperature estremamente basse, possono emergere condensati, con proprietà fisiche uniche. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Oltre ai tre stati standard della materia – solido, liquido e gas – c’è uno stato ad alta energia di un plasma ionizzato, che si verifica quando atomi e molecole hanno troppo pochi elettroni per essere elettricamente neutri. Tuttavia, a temperature ultra-basse, le due classi fondamentali di particelle, bosoni e fermioni, possono condensare insieme nel loro modo particolare, creando condensati di Bose-Einstein o fermionici, rispettivamente: il quinto e sesto stato della materia.
Per creare un condensato fermionico dalla materia, tuttavia, è necessario raggiungere condizioni straordinarie: temperature inferiori a 50 nanokelvin con un campo magnetico applicato variabile nel tempo. Tuttavia, nel vasto abisso dello spazio, è eminentemente possibile che i neutrini (fatti di fermioni) o la materia oscura (che potrebbe essere fermioni o bosoni) si raggruppino per formare i propri condensati. La chiave per svelare uno dei più grandi misteri dell’Universo potrebbe trovarsi nel più raro ed estremo di tutti gli stati conosciuti della materia.
Seguimi su Twitter. Guarda il mio sito web o alcuni dei miei altri lavori qui.