Un motore quantistico nella transizione bcs-bec. A quantum engine in the Bec-Bcs crossover. Questo il titolo di uno studio pubblicato lo scorso Settembre sulla rivista accademica “Nature”. Ricerca condotta da un team di ricercatori giapponesi e tedeschi operanti nell’ambito della divisione Quantum Systems di Okinawa Institute of Science and Technology che con il termine “quantum engine” sottintende la messa a punto di un sistema capace di trasformare in un lavoro utilizzabile a livello macroscopico l’energia correlata agli stati quantici di un gruppo di atomi o di particelle subatomiche andando a modificare le relative modalità di interazione.
Difficile per i non addetti ai lavori comprendere il significato di tale definizione. Si richiede la conoscenza dei principi della fisica quantistica che, oltre a essere estremamente complessi, impongono un cambio radicale nel modo in cui si guarda la materia. Per dare un’idea dei risultati emersi dallo studio si possono però pensare ai processi che si innescano in un ambito propulsivo tradizionale. Cioè all’interno di un motore termico. È noto che a generare quell’energia che gli imbiellaggi trasformano in coppia motrice provvedono specifici fenomeni combustivi che tramite calibrate emissioni di calore definiscono trasformazioni isobare a pressione costante nel ciclo ideale Diesel e isocore a volume costante nel ciclo ideale Otto.
Espansione e compressione ma nessuna combustione
Il motore quantistico funziona allo stesso modo, ma senza aver bisogno di miscele aria/combustibile e senza che ci siano combustioni. Restano invece le fasi di espansione e compressioni del gas di lavoro. Definite da trasformazioni adiabatiche, lasciando anche la possibilità di utilizzare manovellismi preposti a trasformare in energia meccanica il susseguirsi dei processi di cui sopra. A sostituire i fenomeni combustivi provvede una transizione di stato delle particelle che compongono il fluido di lavoro. Un passaggio da “Condensato di Bose-Einstein” a “Gas di Fermi” in grado di determinare un aumento di energia in base al “Principio di esclusione di Pauli”.
E qui urgono un paio di spiegazioni. La prima è inerente la statistica quantistica applicata all’insieme degli atomi di litio utilizzati nei processi indagati dal team di ricerca. Con statistica quantistica si intende, semplificando, quella branca della statistica che indaga il comportamento delle particelle subatomiche in base alle leggi della meccanica quantistica che ne determinano l’interazione. Esistono due principali statistiche quantistiche. Quella “di Fermi-Dirac” si applica a tutti i “Fermioni”, particelle che hanno spin semi-intero, una proprietà intrinseca di ogni particella legata al suo momento angolare.
Fermioni e bosoni
Sono fermioni gli elettroni, i protoni e i neutroni per esempio. Tali particelle rispondono al già citato “Principio di esclusioni di Pauli”, elaborato dal fisico Wolfgang Pauli nel 1925. Afferma che due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico nello stesso momento. Un principio fondamentale che permette di comprendere la stabilità degli atomi e l’interazione delle singole particelle. Come, per esempio, la distribuzione ordinata degli elettroni intorno a un nucleo escludendo possibili sovrapposizioni negli stessi spazi quantici. La seconda statistica, quella di Bose-Einstein, si applica invece ai “Bosoni”. Particelle con spin descritto da un numero intero e che non rispondono al “Principio di esclusione di Pauli”.
Tale connotazione porta le particelle a condividere con altre gli stessi stati quantici. Creando quello stato della materia definito “insolito” predetto già nel 1924 dagli scienziati Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. Nei “Condensati di Bose-Einsten” un gran numero di particelle, normalmente atomi ultra-freddi, ossia prossimi allo zero assoluto in termini di temperatura, occupano lo stesso stato quantico fondamentale in una sorta di “supercella” collettiva con proprietà a sé stanti.
Sono bosoni tutte le particelle elementari mediatrici delle forze fondamentali quali, per esempio, i fotoni dell’elettromagnetismo. Sebbene le statistiche sopra descritte si applichino a particelle differenti, nel 1957 gli scienziati John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer elaborarono una teoria che descriveva la possibilità di portare i fermioni a comportarsi sulla base della statistica di Bose-Einstein. Cioè come dei Bosoni. La teoria “Bcs”, dalle iniziali dei cognomi dei tre scienziati e che gli valsero il Nobel nel 1972, permette di spiegare alcuni effetti quantistici. Tra cui la superconduttività. Afferma inoltre che i fermioni con spin semi-intero possono associarsi in coppie, le “Coppie di Cooper”.
Alla base il principio di esclusione di Pauli
Comportandosi come bosoni a spin intero e occupando lo stesso stato quantico in una forma condensata. Da qui il titolo della ricerca “un motore quantistico nella transizione bcs-bec ” citata all’inizio dell’articolo e alla base del funzionamento del motore di Pauli. Gli scienziati sono partiti da un “Condensato molecolare di Bose-Einstein”, confinato in una “trappola armonica” definita dalla sovrapposizione di un campo magnetico e di un fascio laser. Partendo da tale stato il ciclo di lavoro vede prima la compressione del condensato ottenuta aumentando la potenza del laser agente sul gas. Aumentando poi l’intensità del campo magnetico accade che il condensato ritorni al suo stato originale. Con un aumento dell’energia causato dal “Principio di esclusione di Pauli”.
B) Ciclo del motore di Pauli. Iniziando da un condensato molecolare di Bose-Einstein, punto “A”, aumentando la frequenza di oscillazione radiale delle particelle ottenuta agendo sulla potenza dei laser di confinamento si esercita un lavoro sul sistema, “W1”, ottenendo una compressione del gas da “A” a “B”. Il ritorno a gas di fermioni, da “B” a “C”, è ottenuto aumentando l’intensità del campo magnetico con un aumento di energia causato dal “Principio di esclusione di Pauli” che impedisce a due fermioni di occupare lo stesso stato quantico. Determina una ridisposizione delle particelle. L’espansione da “C” a “D” si ottiene agendo nuovamente sui laser e diminuendone la potenza così come la frequenza di oscillazione delle particelle. Infine il sistema viene riportato in uno stato condensato, da “D” ad “A”, riducendo l’intensità del campo magnetico.
C) Immagini spettroscopiche delle fasi del ciclo. è evidente l’espansione del gas da “B” a “C” dovuto all’aumento dell’energia di Pauli. Fonte: Nature
Stati quantici e sovrapposizioni
Di fatto accade che le particelle inizialmente in sovrapposizione tornino a occupare stati quantici differenti determinando una ridisposizione delle stesse. Tale passaggio, di fatto, corrisponde alla fase di combustione di un motore termico in cui l’energia chimica viene trasformata in calore. A questo punto diminuendo la potenza del laser si ottiene l’espansione del gas permettendo al sistema di compiere lavoro. L’ultimo passaggio il ritorno allo stato condensato agendo nuovamente sul campo magnetico ed escludendo nuovamente il “Principio di Pauli”.
La differenza di energia definita nel passaggio “bec-bcs”, e viceversa, è alla base del funzionamento del motore permettendo l’espansione e la compressione del gas che dà luogo a un lavoro meccanico. E’ da sottolineare che, al momento, tutti gli effetti prodotti sono stati ottenuti a livello sperimentale su un campione di gas obiettivo della ricerca “un motore quantistico nella transizione bcs-bec”. Misurando il lavoro prodotto nella fase di espansione e confrontandolo con l’energia fornita al sistema per effettuare le transizioni gli scienziati sono arrivati a calcolare un rendimento del 25 per cento. La strada per l’applicazione del processo a un sistema propulsivo è quindi ancora lunga e dovrà anche superare diversi gap funzionali. Non ultimo quello di mantenere i gas a temperature prossime allo zero assoluto per limitare gli assorbimenti di energia.
Motore quantistico
Autore: Jacopo Oldani
