Condensatul Bose-Einstein este o stare de agregare a materiei, care apare la temperaturi apropiate de zero absolut și în care particulele cuantice au energie minimă, își pierd individualitatea și se comportă ca un sigur obiect cuantic. Astfel, devine vizibil, la scară aproape macroscopică, aspectul dual, undă-corpuscul, al materiei.
Primul Condensat Bose-Einstein a fost obținut în 1995 de către Eric Cornell și Carl Wieman, care au răcit un gaz atomic alcătuit din atomi de rubidiu până la temperatura de 170 nanoKelvin. Acest lucru le-a adus celor doi, dar și lui Wolfgang Ketterle, cercetător la Institutul Tehnologic Massachusetts (MIT), care a creat la rândul său un condensat cu atomi de sodiu, premiul Nobel pentru Fizică în 2001.
Prezis în 1924 de Albert Einstein pe baza formulelor cuantice ale fizicianului de origine indiană Satyendra Nath Bose, condensatul apare când atomii se contopesc într-un singur „superatom” și se comportă ca o entitate individuală, la o temperatură de numai câteva miliardimi de grad peste zero absolut (minus 273,15 grade Celsius). Încercarea de a confirma această teorie, extinsă pe o perioadă de peste șapte decenii, a fost adesea comparată de fizicieni cu o căutare a legendarului Sfânt Graal.
Condensatul a fost realizat pentru prima oară în data de 5 iunie 1995, la ora 10:54 a.m., într-un laborator din cadrul institutului JILA, aflat la Universitatea din Colorado. Agregatul tehnologic prin care s-a obținut se află acum la Institutul Smithsonian. Atomii din interiorul condensatului se supun legilor fizicii cuantice și sunt atât de apropiați de zero absolut pe cât permit legile fizicii. Fizicienii compară condensatul cu un cristal de gheață care se formează în apă rece și îl consideră o nouă stare de agregare a materiei, deoarece se comportă complet diferit de orice alt material cunoscut.
Echipa coordonată de Cornell și Wieman a folosit capcane magnetice cu laser pentru a crea condensatul, o mică sferă de atomi de rubidiu staționari. Condensatul s-a format în interiorul unei incinte de sticlă și s-a putut observa cu ajutorul unei camere video, având un diametru de numai 20 de microni, adică a cincea parte din grosimea unei coli de hârtie.
Wieman a început să caute condensatul Bose-Einstein în anul 1990, cu ajutorul unui angrenaj de răcire magnetică și cu un laser proiectat chiar de el. Fizicianul a stabilit atunci un pionierat, prin utilizarea în acest sens a diodelor laser ieftine (de 200 de dolari) – același tip folosit în unitățile CD-player – demonstrând că acestea puteau înlocui cu succes laserii scumpi (de 150.000 de dolari) folosiți de alți fizicieni. Cornell s-a alăturat acestor eforturi după aproximativ un an. Inițial, încercările celor doi au fost întâmpinate cu scepticism de comunitatea științifică, dar, după ce metodele lor au început să promită rezultate, mai multe echipe de fizicieni s-au alăturat activ cauzei.
Folosind la început atomi de gaz de rubidiu la temperatura camerei, echipa JILA a încetinit inițial rubidiul și l-a captat într-o capcană creată din lumină generată de laseri. Razele infraroșii au fost aliniate astfel încât atomii să fie bombardați din toate direcțiile de un flux constant de fotoni. Lungimea de undă a fotonilor a fost stabilită astfel încât aceștia să interacționeze doar cu atomii care se deplasau în direcția lor.
Tehnica lui Wieman a determinat răcirea atomilor până la o temperatură de zece milionimi de grad peste zero absolut, încă „prea fierbinte” pentru a produce condensatul Bose-Einstein. Aproximativ zece milioane astfel de atomi reci au fost captați în capcana de lumină disponibilă la acel moment. Odată acest lucru realizat, fizicienii au oprit laserul și au menținut atomii în loc cu ajutorul unui câmp magnetic.
Majoritatea atomilor s-au comportat precum niște magneți minusculi, deoarece conțineau particule cu spin (cu mișcare de rotație) încărcate, așa cum sunt electronii. Astfel, dacă un câmp magnetic este dispus corespunzător împrejurul lor, atomii pot fi capturați sau ținuți în loc. Mai departe, atomii au fost răciți în capcana magnetică, prin selectarea celor mai fierbinți și excluderea lor din aceasta.
Procesul este oarecum similar răcirii prin evaporare pe care o întâlnim la băuturile fierbinți – atomii cu temperatura cea mai ridicată părăsesc lichidul sub formă de abur. Cea mai dificilă parte a acestui proces a fost însă captarea unei densități deatomi destul de ridicate la o temperatură suficient de scăzută. Cornell este cel care a venit în acest punct cu o îmbunătățire-cheie a capcanei magnetice standard, „găselniță” care a și reprezentat realizarea ce le-a permis cercetătorilor să formeze condensatul.
Practic, pentru că atomii cei mai reci aveau tendința să scape în afara centrului capcanei de atomi standard precum mărgelele printr-un tub, Cornell a creat o tehnică prin care să miște tubul împrejurul atomilor, acesta circulând mai rapid decât puteau răspunde ei. Rezultatul a fost un condensat Bose-Einstein de circa 2.000 de atomi de rubidiu, care a durat timp de 15-20 de secunde. Noile mașinării pot fabrica acum condensate cu numere mult mai mari de atomi și care au o durată de viață de până la trei minute.
De la descoperirea sa, zeci de laboratoare din toată lumea au repetat experimentul „fabricării” condensatului Bose-Einstein și au coordonat o gamă variată de alte experimente pe marginea sa. În 1997, cercetătorii coordonați de nobelistul Ketterle de la MIT au dezvoltat un laser atomic pe baza descoperirii din Colorado, care era capabil să „picure” atomi individuali printr-o micro-duză. Posibilă prin dispunerea atomilor super-reci într-o rază, această invenție ar putea conduce la noi tehnici de construire a cipurilor de computer extrem de mici, astfel de dispozitive fiind capabile să producă nanotehnologie atom cu atom.
În februarie 1999, o echipă de cercetători de la Universitatea Harvard coordonată de Lene Vestergaard Hau a folosit condensatul Bose-Einstein pentru a încetini lumina – care călătorește cu 300.000 km/s – până la numai 61 km/h. Acest lucru a fost făcut posibil trecând un fascicul laser prin condensat. În 2001, echipa lui Hau anunța că a oprit complet o rază de lumină, pentru un timp limitat.
În martie 1999, cercetătorii de la NIST aflați sub coordonarea altui nobelist, William Phillips, au creat un dispozitiv care lansa fluxuri de atomi în orice direcție, întocmai așa cum un laser proiectează fascicule de lumină. Pe 18 iunie 1999, fizicieni de la JILA au folosit tehnica condensatului pentru a obține prima degenerare atomică a gazului Fermi, o stare a materiei în care atomii se comportă ca unde. În timp ce experimentele Bose-Einstein au folosit o clasă de particule cuantice numite bosoni, fizicienii de la JILA au răcit atomi care sunt fermioni, cealaltă categorie de particule cuantice prezente în natură. Acest lucru a fost important pentru fizicieni, deoarece cărămizile de bază ale materiei – electronii, protonii și neutronii – sunt cu toții fermioni.
Tot în 1999, Cornell și Wieman au fost liderii unui grup care a creat primele vortexuri observate vreodată într-un condensat. Iar în 2001, cei doi au făcut parte dintr-o echipă a Universității Columbia și JILA care a reușit să producă micșorarea unui condensat Bose-
Einstein – eveniment urmat de o mică explozie. Echipa susținea atunci că fenomenul a fost oarecum similar unei explozii de supernovă microscopică și l-a denumit „Bosenova”. Circa jumătate dintre atomii inițiali au părut să dispară în timpul procesului.
Toate aceste performanțe și realizări care au evoluat din descoperirea condensatului Bose-Einstein sunt menite să demonstreze faptul că fizicienii nu se află într-o cursă nebună a doborârii recordurilor, ci într-o misiune de completare a unui puzzle, de natură să îi ducă mai aproape cu înțelegerea de marile mistere ale Universului, dar și pe noi toți mai aproape de progres prin aplicațiile practice care reies adesea din descoperirile făcute pe teritoriul fizicii fundamentale.
Dorind să pricepem mai multe dintre aceste posibilități, dar și din condensatul Bose-Einstein, am avut ocazia rară a unei discuții onorante purtată chiar cu nobelistul Eric A. Cornell, discuție pe care o redăm în completarea acestui articol și care sperăm să vă atragă și mai mult în lumea fascinantă a fizicii.
V-ați simțit ca o figură istorică când ați devenit membru al echipei Bose-Einstein-Cornell?
N-aș putea spune ca m-am gândit la mine ca la o figură istorică. M-am privit dintotdeauna, înainte de orice, ca fiind un om de știință. Și bineînțeles că am devenit foarte entuziasmat în momentul descoperirii făcute și s-a lăsat cu felicitări și urale în laborator, dar mai degrabă momentul a fost și rămâne unul istoric.
Cum ați intrat în legătură cu ipoteza Condensatului Bose-Einstein (BEC) și cum ați rămas prins în demonstrarea ei?
Ideea asta i-a venit lui Einstein acum 78 de ani, iar ea a fost mult vehiculată de atunci. Eu am citit despre ea în timpul studenției, pe când se bucura deja de suficientă popularitate. Așadar, atunci când tehnologia a început să permită atingerea unor temperaturi foarte scăzute, noi, oamenii de știință ne-am gândit că ar trebui să ne folosim de ea și în sensul explorării acestei ipoteze faimoase.
Condensatul Bose-Einsten este ceva extraordinar. Ce anume se întâmplă cu atomii prinși în interiorul unei astfel de formațiuni, cum se comportă ei acolo?
Condensatul Bose-Einstein este un soi de „superatom”, un cluster de atomi în care aceștia încep să se comporte ca unde. Probabil, cel mai interesant lucru (al Condensatului Bose-Einstein) este faptul că el se comportă ca un superfluid, poate circula fără rezistență, fără vâscozitate. Are și alte proprietăți miraculoase care sunt în general asociate cu mecanica cuantică, la temperaturi extrem de scăzute.
Putem găsi în natură Condensatul Bose-Einstein?
Dacă BEC există sau nu în natură, se află momentan la nivelul de dezbatere. S-ar putea întâmpla în anumite stele, în special în cele neutronice. Învelișul acestora ar putea fi un superfluid, ceea ce poate fi o formă a condensatului, nu se știe exact.
Ați dori să descrieți pentru cititorii noștri acele capcane magnetice cu laser care v-au adus dvs. și celor doi colegi ai dvs. premiul Nobel?
Capcanele laser pe care le folosim întrebuințează puterea laserilor, ai căror fotoni interacționează cu atomii și îi împing. Putem folosi forța laserilor pentru a răci atomii, dar și pentru a-i aduna laolaltă într-un grup central de atomi. Acest lucru este denumit capcană optico-magnetică, foarte utilă. Alteori, oprim laserii și plasăm atomii într-o capcană pur magnetică, iar atunci ei încep să se miște într-un câmp magnetic, ceva parcă desprins din Star Trek.
De obicei, dumneavoastră, fizicienii, considerați lumea cuantică o lume bizară. Când vă așteptați să o reconciliați cu teoria relativității, în cadrul așanumitei Teorii Unificate?
Consider că lumea temperaturilor foarte scăzute și lumea spațiu-timpului (a teoriei relativității) sunt, într-un fel, deja unificate. Cea mai mare problemă este modul în care gravitația este conectată cu toate acestea. Gravitația este o problemă uriașă, iar conectarea ei cu restul lucrurilor și mai ales cu fizica cuantică se dovedește foarte dificilă și, din păcate, condensatul Bose-Einstein probabil nu face foarte multă lumină asupra acestei chestiuni.
Așa cum poate știți deja, superlaserul ELI-NP de la Măgurele va deveni funcțional în anul 2019. Vă așteptați ca experimentele de lângă București să își găsească locul în sfera de cercetare a BEC?
Sunt sigur că noul laser de aici va fi extrem de important pentru cercetare, dar consider că distanța de câțiva ani până la momentul cu pricina face foarte dificil de prezis unde exact se va încadra (studierea Condensatului Bose-Einstein) în peisajul de la ELI-NP. Tocmai așa funcționează cercetarea: dacă am ști exact ce facem, nu am mai numi-o cercetare. Din acest motiv ezit să prezic ce va veni dinspre acest laser, cu excepția faptului că sigur va fi foarte interesant.
Cu circa trei-patru ani în urmă, colaboratoarea dvs. Lene Hau a făcut o demonstrație la Dublin, în cadrul World Science Forum. Atunci, BEC a părut foarte simplu publicului prezent. Este el chiar atât de simplu?
Lene se pricepe foarte bine să facă lucrurile să pară simple, acesta fiind unul dintre principalele ei merite. De altfel, asta se numără printre prerogativele unui savant, dar nu înseamnă că lucrurile sunt chiar atât de ușor de făcut. BEC necesită multă tehnologie și muncă de laborator. Am prieteni care încearcă să construiască versiuni tip „plug and play” ale experimentului, în cazul cărora doar iei produsul de pe raft, rotești cheia în contact și îți obții propriul condensat BE, dar sunt încă departe de un astfel de rezultat.
Ne puteți spune câte ceva despre aplicațiile practice ale cercetărilor din cadrul acestui domeniu?
Poate cea mai importantă formă de aplicație a BEC se referă la zona computerelor cuantice. Există multe idei diferite cu privire la modul în care acestea ar putea fi create și făcute să funcționeze, dar majoritatea sau chiar toate perspectivele implică temperaturi extrem de scăzute. Și poate că BEC ar putea servi ca un soi de freon, un fel de fluid de răcire care să mențină computerul cuantic la temperaturi destul de mici încât să poată funcționa optim.
Cât de aproape sunteți de temperatura Zero absolut, în cadrul experimentelor?
În laboratorul nostru putem coborî până la circa 5-10 nanoKelvin (adică 5-10 miliardimi de grad Kelvin). Dar participăm la un experiment care va duce condensatul în spațiul cosmic, la bordul Stației Spațiale Internaționale, poate într‑un an sau doi, și sper că astfel vom putea ajunge chiar și la temperaturi mai scăzute decât în prezent, profitând de starea de imponderabilitate de acolo. Este important, pentru că de fiecare dată când ne apropiem un pic mai mult de 0 grade Kelvin, descoperim acolo un nou tip de fizică.
Dar, oricum, în laboratorul dvs. este mult mai frig decât în spațiul cosmic, nu?
Da, mult mai frig. Cosmosul este ca un cuptor pentru noi.
Ce zonă nedemonstrată încă din teoriile fizicii fundamentale credeți că va căpăta un înțeles mai clar în următoarea decadă?
Consider că zona cea mai ofertantă și incitantă din cadrul științelor fizice vizează astrofizica. Întrebările privitoare la materia întunecată și la energia întunecată și-ar putea găsi unele răspunsuri satisfăcătoare în următorii zece ani. Lucruri interesante vor mai putea apărea și din zona acceleratoarelor de particule, dacă acestea vor începe să lucreze cu energii mult mai înalte decât o fac în prezent. O variantă vehiculată aici este și eventuala înlocuire a tehnologiei actuale de la LHC cu laseri, pentru a accelera particulele, dar rămâne de văzut când și dacă se va întâmpla. Cele mai interesante forme de fizică nu se află în miezul științei tradiționale, ci la frontierele ei, acolo unde fizica interacționează cu alte discipline, precum chimia, biologia, conștiința și cred că în aceste zone de contact vor apărea cele mai interesante descoperiri.
Ați dori să transmiteți un mesaj tuturor entuziaștilor pasionați de Fizică?
Aș putea spune că o carieră în Fizică poate fi foarte interesantă și cu multe lucruri fascinante de făcut, care pot aduce importante beneficii societății, dar și celui care îmbrățișează acest domeniu. Se întâmplă multe lucruri deosebite în Fizică și cred că tinerii români ar trebui să ia în considerare parcurgerea acestui drum, fără a neglija restul științelor, și ele extrem de ofertante și de variate, astfel încât să contribuie la avansul general al umanității.
