6.10 Condensazione di Bose–Einstein e superfluidità

Indice ／ Capitolo 6: Dominio quantistico (V5.05)

I. Fenomeni e domande chiave

Quando un insieme bosonico si raffredda a temperature estreme, le particelle smettono di comportarsi in modo indipendente e occupano collettivamente un unico stato quantistico: nasce un «tappeto» di fase allineata. Segnali tipici sono: frange di interferenza liberando insieme due condensati indipendenti; correnti persistenti senza resistenza in anelli; e quasi assenza di viscosità sotto agitazione lieve, seguita da vortici quantizzati oltre una soglia. Le questioni centrali sono: perché il fluido scorre quasi senza attrito; perché la velocità si presenta a gradini quantizzati; e perché coesistono componenti “normale” e “superfluida”.

II. Lettura secondo la Teoria dei Fili di Energia (EFT): bloccaggio di fase, chiusura dei canali e difetti quantizzati

Nella Teoria dei Fili di Energia (EFT), strutture stabili — atomi o coppie elettroniche — nascono da avvolgimenti di fili; gli strati esterni si accoppiano alla mare di energia (Energy Sea) mentre il nucleo conserva un ritmo interno. Con spin totale intero, il moto collettivo obbedisce a regole bosoniche e le fasi si sommano in modo coerente. Raffreddando a sufficienza dominano tre meccanismi:

• Bloccaggio di fase: stendere un “tappeto” di flusso
  Temperature più basse riducono il rumore di fondo di tensione (TBN), quindi meno perturbazioni scompaginano la fase. Le fasi degli strati esterni si allineano e tessono una rete di fase comune su scala macroscopica. Il costo energetico del moto collettivo crolla, come se il flusso seguisse un corridoio di tensione particolarmente liscio.
• Chiusura dei canali: la viscosità cede
  La viscosità ordinaria nasce da microcanali che drenano energia nell’ambiente. Il tappeto di fase, imponendo ordine, sopprime questi canali: perturbazioni decoerenti vengono respinte o proibite. Perciò a bassa spinta la resistenza è quasi nulla; aumentando portata o taglio, il tappeto non resta integro e si aprono vie dissipative nuove.
• Difetti quantizzati: compaiono vortici
  Il tappeto non può torcersi a piacere. Sotto stress cede tramite difetti topologici. Il difetto canonico è il vortice quantizzato: un nucleo filamentoso a bassa impedenza attorno al quale la fase si avvolge di 1, 2, 3… giri interi. L’intero garantisce la chiusura monovalente. Nascita e annichilazione dei vortici diventano la via principale di dissipazione del superflusso.
• Due componenti, in modo naturale
  A temperatura non nulla, una frazione non blocca la fase e scambia energia con l’ambiente: è la componente normale. Il tappeto di fase costituisce la componente superfluida. Ne risulta un quadro “bifluido”: una parte trasporta flusso quasi senza perdite, l’altra calore e viscosità. Più bassa è la temperatura, maggiore è la frazione superfluida.

Nota concettuale: in EFT i bosoni di gauge (fotoni, gluoni) sono pacchetti d’onda che si propagano nella mare di energia, mentre la condensazione atomica riguarda il bloccaggio di fase di strutture avvolte e stabili. Entrambe sono bosoniche, ma con “materiali” diversi: increspature di campo contro gradi collettivi dello strato esterno.

III. Scenari rappresentativi: dall’elio agli atomi freddi

• Elio superfluido
  L’elio-4 mostra effetto fontana, risalita senza attrito sulle pareti e reticoli di vortici. Vista EFT: il tappeto di fase ricopre il volume; a spinta lenta quasi non apre canali di fuga verso la mare di energia, finché la nucleazione di vortici diventa inevitabile.
• Condensati diluiti di atomi freddi
  Nubi alcaline in trappole magneto-ottiche condensano; alla liberazione, due condensati indipendenti sovrapposti generano frange nette. Vista EFT: i bordi dei due tappeti si allineano; le frange sono «motivi di allineamento di fase», non segni di urti atomici.
• Trappole ad anello e correnti persistenti
  In un anello, la circolazione può durare a lungo. Vista EFT: il numero di avvolgimenti del tappeto chiuso è bloccato; solo una spinta oltre la soglia di vortici provoca il salto all’intero successivo.
• Velocità critica e ostacoli
  Una “cucchiaio” ottico trascinato lentamente non lascia scia; oltre una certa velocità appare una strada di vortici e la viscosità cresce. Vista EFT: a bassa spinta i canali restano chiusi; ad alta spinta il tappeto si lacera ed espelle difetti che portano via energia.
• Film bidimensionali e coppie di vortici
  In 2D, vortici e antivortici si legano; scaldando oltre una soglia, le coppie si sciolgono e l’ordine crolla. Vista EFT: il tappeto in 2D tollera solo difetti appaiati; quando la coppia si separa, la rete di fase collassa.

IV. Impronte osservabili

• Interferenza: la sovrapposizione di condensati genera frange stabili, con fase che segue lo sfasamento globale.
• Flusso quasi senza viscosità: a bassa spinta, la relazione pressione–portata è quasi non dissipativa e la caduta di pressione non si accumula.
• Vortici quantizzati: rotazione o agitazione forte creano reticoli di vortici; il numero cresce con la velocità angolare e la scala del nucleo è caratteristica.
• Salti critici: superare una velocità soglia aumenta bruscamente dissipazione e riscaldamento.
• Trasporto bifluido: flusso di calore e di massa possono disaccoppiarsi, con apparizione di una seconda modalità sonora, simile a un’«onda di entropia».

V. Confronto con la descrizione standard

Il linguaggio standard usa una funzione d’onda macroscopica (parametro d’ordine) per il tappeto di fase; la velocità segue il gradiente di fase e, a bassa velocità, mancano portatori di energia eccitabili, quindi non c’è dissipazione. Le velocità critiche dipendono dalla possibilità di eccitare vortici e fononi. La lettura EFT aggiunge un quadro più “materiale”: quando il rumore di fondo di tensione (TBN) cala, le fasi si bloccano in una rete comune; a bassa spinta i canali di perdita rimangono chiusi; sotto carico si aprono come difetti quantizzati. Le due descrizioni concordano su osservabili e leggi di scala, ma enfatizzano supporti diversi: geometria–onde contro fili–e–mare.

VI. In sintesi

La condensazione di Bose–Einstein e la superfluidità non sono stranezze del freddo estremo, bensì l’esito di un bloccaggio di fase che tesse un tappeto a più scale. Questo tappeto guida il flusso nei corridoi di tensione più lisci e mantiene chiuse, a bassa spinta, le vie di perdita; se forziamo, cede tramite vortici quantizzati e la dissipazione ha inizio.
Una riga da ricordare: il bloccaggio di fase stende il tappeto e chiude i canali; la spinta forte forza i difetti e la dissipazione segue.