Um novo estado de matéria- O Condensado Bose-Einstein

Consideremos um gás de bosões (partículas de spin = 1), por exemplo fotões. Mas para o condensado Bose-Einstein vamos considerar átomos. E aproveito para explicar a razão destes dois nomes estarem associados.

Bose  ( físico indiano ,1894-197) enviou um artigo a Einstein sobre a lei de Planck (a tal lei que descreve a irradiação de luz por um corpo negro), mas ao contrário deste não fez qualquer referência à eletrodinâmica clássica e  usando apenas argumentos estatísticos obteve a distribuição de fotões do corpo negro.

Einstein não se limitou a receber e reenviar o artigo de Bose para publicação. Ele próprio se pôs a trabalhar sobre o assunto (de onde resultou a célebre estatística Bose-Einstein).

E Einstein fez uma observação decisiva: se o número de bosões for conservado como acontece com os átomos (ao contrário do número de  fotões que não se conserva) o sistema de bosões independentes exibe uma transição de fase a baixas temperaturas (tal como a água líquida sobre uma transição de fase a 0ºC).

Em que consiste esta transição de fase?

Para isso precisamos de saber que na natureza as partículas se dividem em duas categorias:

1-      Partículas “individualistas”- fermiões, spin semi-inteiro (1 estado é ocupado exclusivamente por 1 partícula- nada de partilhas!)

2-      Partículas “sociáveis” – bosões, spin inteiro ( 1 estado pode ser ocupado por muitas partículas, ou mesmo todas- “na minha casa  cabe toda a gente!)

E é agora que o post começa…

Imaginemos o gás de bosões como bolinhas chocando entre si e contra as paredes do  recipiente que os contenha. A energia do gás é  tão elevada que nos podemos esquecer que a energia está quantizada(a energia está sempre quantizada à semelhança do espectro do átomo de Hidrogénio- é a grande, enorme, fundamental descoberta da Mecânica Quântica), pois a sua energia térmica é muito superior à diferença de energia entre dois estados de energia consecutiva (  energia térmica = constante Boltzman x temperatura absoluta). A energia está distribuída por todas as partículas do gás- as com menor velocidade com menor energia.

Quando a temperatura desce abaixo de um valor crítico não existem estados de energia suficientes para distribuir por todas as partículas ( de acordo com a distribuição clássica) . Mas se as partículas são bosões não há problema: vão todas para o estado fundamental! No limite termodinâmico, isto é, para um conjunto de muitas partículas, o sistema transita para um novo estado de forma brusca- e temos um novo estado de matéria, o Condensado Bose - Einstein . Os átomos perdem a sua individualidade e o sistema comporta-se como um superátomo! Imaginem 500 000 átomos de sódio comportando-se apenas como um átomo só! ( uma equipa do MIT conseguiu esta proeza em 1995, mas o condensado só se “aguentou” durante 9 segundos…).

Uma propriedade muito interessante dos condensados Bose-Einstein é a sua superfluidez ou escoamento sem atrito.

E no ano 2000 uma equipa de Harvard conseguiu algo “engraçado”:  criou um condensado no interior do qual a luz se desloca a….1,5km/h/ (isto sucede devido à enorme descontinuidade do índice de refração da luz quando penetra no condensado) A minha filha desloca-se mais depressa do que a luz!!

E para terminar porque o post já vai longo (e muitíssima coisa omiti): Einstein não acreditava que o seu condensado pudesse ser observado….Mesmo a mente do visionário Einstein era tão limitada que não acreditava nas surpresas e maravilhas sempre escondidas que a mãe- Natureza encerra!