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    recaplica Condensato di Bose-Einstein: cos'è e come si ottiene
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    Condensato di Bose-Einstein: cos'è e come si ottiene

    Di Redazione Recaplica · Aggiornato il 20 ottobre 2026

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    Un condensato di Bose-Einstein è un gas di atomi così freddo da stare a poche centinaia di nanokelvin dallo zero assoluto. A quella temperatura gli atomi finiscono tutti nello stesso stato quantistico e l'insieme si descrive con un'unica funzione d'onda, come fosse un atomo solo. Einstein lo previde nel 1924 partendo dal lavoro di S. N. Bose. Il primo si ottenne il 5 giugno 1995 a JILA, con circa 2.000 atomi di rubidio. Si legge spesso «quinto stato della materia»: è la dicitura comune.

    Punti Chiave

    • I bosoni, particelle con spin intero, a basse temperature tendono a finire tutti nello stesso stato quantistico di energia minima.
    • Il condensato è un gas di atomi portato a poche centinaia di nanokelvin, appena sopra lo zero assoluto (-273,15 °C).
    • Einstein lo previde nel 1924, sulla base del calcolo statistico di S. N. Bose; la prima realizzazione è del 5 giugno 1995.
    • Si ottiene in due passaggi: raffreddamento laser, poi raffreddamento per evaporazione in una trappola magnetica.
    • Il primo condensato, di rubidio-87, aveva circa 2.000 atomi e durò da 15 a 20 secondi.
    • Ketterle, lavorando per conto proprio con il sodio, ottenne un condensato con centinaia di volte più atomi, quattro mesi dopo.

    I numeri chiave

    • 20 nK La temperatura del condensato puro di rubidio-87 ottenuto a JILA nel 1995, partendo da circa 170 nK. Fonte: Accademia reale svedese delle scienze, Nobel per la fisica 2001
    • 2.000 Il numero approssimativo di atomi di rubidio rimasti nel primo condensato, ottenuto nel 1995 a JILA. Fonte: NIST
    • 71 anni La durata della ricerca per confermare la teoria di Einstein, dal 1924 al primo condensato del 1995. Fonte: NIST

    L'Approfondimento

    Un condensato di Bose-Einstein, in sigla BEC, è un gas di atomi raffreddato fino a poche centinaia di miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. A quella temperatura gli atomi smettono di comportarsi da individui: finiscono tutti nello stesso stato quantistico, e l’intero insieme è descritto da un’unica funzione d’onda, come se fosse un atomo solo. Per questo a volte si parla di «superatomo». Si legge anche «quinto stato della materia», ed è una dicitura comune.

    Il Recap sui passaggi di stato racconta come la materia va da solido a liquido a gas. Qui il cambiamento riguarda un’altra cosa: lo stato quantistico in cui si trovano gli atomi.

    Bosoni e fermioni

    Le particelle con spin intero sono dette bosoni, quelle con spin semintero fermioni. A basse temperature i bosoni tendono a finire tutti nello stesso stato quantistico, quello di energia minima. I fermioni si evitano a vicenda: non possono occupare lo stesso stato, e quindi devono occuparne anche di più energetici.

    Gli elettroni nei gusci degli atomi sono fermioni, ed è questo che spiega l’ordine della tavola periodica.

    La teoria di Bose ed Einstein, 1924

    Nel 1924 il fisico indiano S. N. Bose fece un calcolo statistico sulle particelle che da lui avrebbero preso il nome di bosoni, e in particolare sui fotoni. Mandò il lavoro a Einstein, che ne capì il valore, lo tradusse in tedesco e lo fece pubblicare.

    Einstein andò oltre. Estese la teoria a particelle con massa e, in due articoli ravvicinati, previde che se abbastanza particelle si avvicinano e rallentano a sufficienza passano insieme allo stato di energia più bassa. Quello stato collettivo è il condensato. Il NIST colloca la previsione nel 1924.

    Perché serve un freddo estremo

    Secondo l’Accademia svedese delle scienze, il punto è la lunghezza d’onda associata agli atomi, la stessa idea delle onde di materia di de Broglie. Se un gas di atomi freddi è abbastanza denso, quella lunghezza diventa paragonabile alla distanza tra gli atomi: le onde di materia si sentono e coordinano il loro stato. Questa è la condensazione.

    Con densità realistiche gli atomi devono muoversi di pochi millimetri al secondo. Corrisponde a temperature dell’ordine di 100 nanokelvin, un decimo di milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, che è -273,15 °C. Il materiale di partenza è un gas diluito di atomi alcalini.

    Manifestazioni di tipo simile si erano già viste in sistemi più complicati. I superconduttori hanno coppie di elettroni e nessuna resistenza elettrica, i superfluidi nessun attrito interno.

    Come si ottiene

    Ci vogliono due raffreddamenti in sequenza. Il primo è il raffreddamento laser, proposto nel 1975 da Hänsch e Schawlow per gli atomi neutri: i fotoni vengono assorbiti solo se vanno incontro all’atomo, e così l’atomo rallenta. Il secondo è il raffreddamento per evaporazione, che lavora in una trappola solo magnetica. La strada, indicata da Wieman intorno al 1990, era proprio questa: laser in una trappola magneto-ottica, poi trappola magnetica con l’evaporazione.

    Esempio pratico: pensa a una tazza di caffè che si raffredda. Le molecole più veloci lasciano il liquido, e l’energia media di quelle che restano scende. Nel condensato succede lo stesso con gli atomi: si lasciano uscire dalla trappola i più veloci e il gas rimasto è più freddo.

    5 giugno 1995

    Il gruppo di JILA, istituto congiunto di NIST e Università del Colorado a Boulder, guidato da Cornell e Wieman, raggiunse il limite di condensazione il 5 giugno 1995, alle 10:54. Partì da rubidio gassoso a temperatura ambiente, rallentato e catturato in una trappola di luce laser. Il raffreddamento laser portò gli atomi a circa 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto, ancora troppo caldo, con circa 10 milioni di atomi nella trappola. Nella trappola magnetica gli atomi si raffreddarono eliminando i più caldi. Servì un ultimo accorgimento: una trappola magnetica migliorata da Cornell, con il campo che gira, per non far sfuggire dal centro gli atomi più freddi. Si partì da circa 170 nK e, rendendo più efficace l’evaporazione, si ottenne un condensato puro a 20 nK.

    Il risultato fu un condensato di circa 2.000 atomi di rubidio-87, durato da 15 a 20 secondi. Con una telecamera si vedeva una pallina di rubidio larga circa 20 micron.

    Il NIST ricorda che la ricerca era durata 71 anni e che molti fisici la paragonavano alla ricerca del Santo Graal.

    Cosa mostra il condensato

    Ketterle lavorò in modo indipendente dal gruppo del Colorado, usando atomi di sodio, e pubblicò il suo condensato quattro mesi dopo quello di JILA. I suoi condensati avevano centinaia di volte più atomi, e questo permise di misurarne le proprietà.

    Una di queste è l’interferenza. Due condensati distinti che si espandono l’uno nell’altro mostrano frange nette, segno di onde di materia coerenti.

    Il Nobel per la fisica 2001 ha premiato la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein in gas diluiti di atomi alcalini e i primi studi sulle proprietà dei condensati. Secondo l’Accademia svedese, nell’universo non si trovano altrove le condizioni estreme di un BEC in gas diluiti.

    Presentazione

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    Slide 1 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Il condensato di Bose-EinsteinSlide 2 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Cosa succede a un gas se lo raffreddi fino a quasi lo zero assoluto?Slide 3 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Dalla teoria al laboratorioSlide 4 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Capitolo 01: Bosoni e fermioniSlide 5 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Spin intero o seminteroSlide 6 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Capitolo 02: Il freddo che serveSlide 7 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Quanto freddo serveSlide 8 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Come si raffredda il gasSlide 9 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Capitolo 03: Da Einstein al 1995Slide 10 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Chi ha preparato la strada: S. N. Bose, Einstein, Hänsch e SchawlowSlide 11 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: JILA, 1995Slide 12 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Capitolo 04: Cosa mostra il condensatoSlide 13 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Nel 1995 circa duemila atomi si descrivevano con una sola funzione d'ondaSlide 14 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Perché per avere un condensato servono atomi lentissimi?Slide 15 della presentazione su Condensato di Bose-Einstein: Per ripassare
    Lampo10 slideIl filo essenziale, per presentarlo in classeCompleta15 slideTutti i capitoli e gli approfondimenti

    Falsi miti

    • ✗ Mito Il condensato è una gocciolina che si forma quando un gas diventa abbastanza freddo, come il vapore sul vetro.

      ✓ Realtà La parola «condensazione» qui riguarda lo stato quantistico. A JILA nel 1995 la condensazione fu raggiunta con atomi di rubidio ancora in forma di gas diluito: quello che cambia è che gli atomi, se il gas è abbastanza denso e freddo, coordinano il loro stato e finiscono insieme in quello di energia minima.

    • ✗ Mito Dopo la previsione di Einstein bastò qualche anno di laboratorio per vederlo.

      ✓ Realtà Passarono circa settant'anni. Il NIST parla di 71 anni di ricerca. Servivano atomi lentissimi, pochi millimetri al secondo, e il raffreddamento laser fu proposto nel 1975.

    • ✗ Mito Un condensato è qualcosa che si incontra anche nello spazio, magari vicino a una stella.

      ✓ Realtà Secondo l'Accademia svedese delle scienze, altrove nell'universo non si trovano le condizioni estreme di un condensato di Bose-Einstein in gas diluiti, che richiede atomi lentissimi e temperature dell'ordine di 100 nanokelvin. Fenomeni di tipo simile esistono già sulla Terra nei superconduttori e nei superfluidi, ma sono sistemi più complicati.

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    Mappa concettuale: Condensato di Bose-Einstein: cos'è e come si ottiene
    • Condensato di Bose-Einstein
      • Bosoni e fermioni lo spin decide come si comportano le particelle
        • Bosoni spin intero, tendono allo stesso stato
        • Fermioni spin semintero, si evitano
      • La previsione
        • Bose nel 1924 calcolo statistico sui fotoni
        • Einstein estende la teoria alle particelle con massa
      • Il freddo che serve
        • Circa 100 nanokelvin
        • Onde di materia la lunghezza d'onda diventa paragonabile alla distanza tra gli atomi
      • Come si ottiene
        • Raffreddamento laser
        • Trappola magnetica
        • Evaporazione
      • La realizzazione
        • JILA, 5 giugno 1995 rubidio-87, circa 2.000 atomi
        • Ketterle sodio, quattro mesi dopo

    Quiz: mettiti alla prova

    Rispondi alle domande per verificare quanto hai imparato: riceverai subito la correzione e una breve spiegazione.

    Voto 0/10 0/5
    1 Che cosa distingue i bosoni dai fermioni?

    Le particelle con spin intero sono bosoni e a basse temperature tendono a finire nello stato di energia minima. I fermioni, con spin semintero, non possono occupare lo stesso stato quantistico.

    2 Chi realizzò per primo un condensato di Bose-Einstein e con quale atomo?

    Il primo condensato è del giugno 1995, a JILA, con rubidio-87. Ketterle lavorò in modo indipendente con il sodio e pubblicò quattro mesi dopo.

    3 Perché per avere un condensato servono atomi lentissimi?

    Il gas condensa quando la lunghezza d'onda associata agli atomi eguaglia più o meno la distanza tra loro. Più gli atomi sono lenti, più quella lunghezza cresce.

    4 Nel raffreddamento per evaporazione, che cosa abbassa la temperatura del gas?

    Il processo elimina gli atomi più veloci. Chi resta ha un'energia media più bassa, quindi il gas si raffredda ulteriormente.

    5 Vero o falso: Einstein previde il condensato nel 1924 e fu realizzato nel 1995.

    La previsione è del 1924, sulla base del lavoro di Bose. Il primo condensato è del 5 giugno 1995. In mezzo passarono circa settant'anni.

    Risposte: 1-A · 2-A · 3-A · 4-A · 5-A

    Flashcards

    Tocca la carta per girarla e verifica se ricordi la risposta, poi passa alla successiva.

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    Spiegalo con parole tue

    Il test definitivo: se sai spiegarlo con parole semplici, lo hai capito davvero. Scrivi la tua spiegazione, poi confrontala col Recap.

    La tua spiegazione resta salvata solo su questo dispositivo.

    Un condensato di Bose-Einstein è un gas di atomi così freddo da stare a poche centinaia di nanokelvin dallo zero assoluto. A quella temperatura gli atomi finiscono tutti nello stesso stato quantistico e l'insieme si descrive con un'unica funzione d'onda, come fosse un atomo solo. Einstein lo previde nel 1924 partendo dal lavoro di S. N. Bose. Il primo si ottenne il 5 giugno 1995 a JILA, con circa 2.000 atomi di rubidio. Si legge spesso «quinto stato della materia»: è la dicitura comune.

    Domande e risposte

    Perché il condensato di Bose-Einstein è chiamato quinto stato della materia?

    È la dicitura comune. Il NIST lo presenta come una nuova forma di materia: gli atomi si fondono in un «superatomo» che si comporta come un'unica entità.

    Quanto è freddo un condensato di Bose-Einstein?

    A JILA nel 1995 si partì da circa 170 nanokelvin e si arrivò a un condensato puro a 20 nanokelvin. Il NIST indica poche centinaia di nanokelvin sopra lo zero assoluto, che è -273,15 °C.

    Come si ottiene un condensato di Bose-Einstein?

    Si parte da un gas di atomi, per esempio rubidio, rallentato e catturato da luce laser. Il raffreddamento laser non basta: si passa a una trappola magnetica, dove si eliminano gli atomi più caldi. A JILA il risultato fu un condensato di circa 2.000 atomi, durato da 15 a 20 secondi.

    Che cosa c'entra Bose con Einstein?

    Nel 1924 S. N. Bose fece un calcolo statistico sui fotoni e lo mandò a Einstein, che ne capì il valore. Einstein lo tradusse in tedesco e ne curò la pubblicazione, poi estese la teoria a particelle con massa e previde il condensato.

    Fonti consultate

    • The 2001 Nobel Prize in Physics - Popular information (Royal Swedish Academy of Sciences)
    • Bose-Einstein Condensate: A New Form of Matter (NIST)

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