Nella stazione spaziale Tiangong raggiunto un nuovo record: un gas è stato raffreddato a 9,7 picokelvin

Un gas di circa 20.000 atomi di rubidio è stata raffreddata a una temperatura mai raggiunta prima equivalente ad appena 9,7 picokelvin. Un picokelvin è un millesimo di miliardesimo di kelvin, un limite prossimo allo zero assoluto, corrispondente alla temperatura limite di zero gradi kelvin, ovvero − 273,15 gradi centigradi. L'esperimento pubblicato su Science è stato realizzato a bordo della stazione spaziale cinese Tiangong nel laboratorio per atomi ultrafreddi denominato Cold Atom Physics Rack (CAPR) del modulo Mengtian.

Il campione ha formato un condensato di Bose-Einstein in cui a temperature estremamente basse gli atomi si comportano collettivamente come un'unica onda quantistica. Le proprietà quantistiche diventano quindi osservabili su scala macroscopica. La temperatura misurata di 9,7 pK (con un'incertezza di +3,2 e −2,7 pK) è circa un quarto del precedente valore di 38 pK ottenuto in un laboratorio in Germania.

Il condensato di Bose-Einstein è spesso chiamato il "quinto stato della materia" oltre a quelli canonici dei solidi, liquidi, gas e del plasma. Si tratta di un particolare stato in cui un gas di bosoni (particelle tipo i fotoni) viene raffreddato a temperature estremamente vicine allo zero assoluto. Un gas composto di atomi in particolari condizioni si comporta come se fosse composto da bosoni e può generare perciò un condensato di Bose-Einstein dal comportamento unico, diventando una specie di unico atomo macroscopico. Gli atomi perdono infatti la loro natura di particelle isolate e collassano nello stesso stato quantistico di minima energia, comportandosi come un'unica entità dalle proprietà particolari. Per esempio i condensati di Bose-Einstein vengono usati per creare i superfluidi, capaci di minimizzare l’attrito quasi a zero e di attraversare le pareti di contenitori solidi.

Perché serve la microgravità della stazione spaziale Tiangong per raggiungere temperature così basse

In un ambiente di microgravità come lo spazio orbitale, si possono innescare processi fisici per esperimenti impossibili o difficili da realizzare sulla Terra, come nell’ambito dei fluidi, della cristallografia e per la ricerca di nuovi materiali. La stazione spaziale cinese Tiangong, così come la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), ospita ricerche di fisica fondamentale e permette l’allestimento di esperimenti molto complessi da riprodurre a Terra.

Negli esperimenti in microgravità si possono ottenere particolari condizioni di apparente assenza di peso dove l’oggetto dell’esperimento e gli strumenti sono entrambi in caduta libera. Certi esperimenti di fisica o chimica richiedono infatti tempi lunghi per essere studiati: da diversi secondi a minuti e perfino ore. Le torri di caduta (laboratori costruiti dentro torri dove vengono fatti cadere letteralmente gli esperimenti) come la torre ZARM a Brema e i voli parabolici aerei possono riprodurre la microgravità, ma solo per intervalli brevi. In orbita invece l’assenza di peso è continua e perciò la gravità non diventa più un ostacolo per gli esperimenti.

Nei laboratori terrestri si ottengono condensati di Bose-Einstein raffreddando gas atomici fino a pochi nanokelvin (un miliardesimo di kelvin). Scendere alla scala dei picokelvin è però più difficile perché quando gli atomi vengono liberati dalle trappole ottiche, la gravità li fa cadere e limita il tempo per osservarli. Una trappola ottica laser è uno strumento scientifico che utilizza un fascio di luce laser fortemente focalizzato per bloccare o spostare oggetti submicroscopici (come gli atomi e le molecole) e viene appunto impiegata per “raffreddare” gli atomi.

Come si raffreddano gli atomi fino quasi allo zero assoluto

L'esperimento condotto nel CAPR installato nel modulo scientifico Mengtian della stazione spaziale cinese è una versione miniaturizzata di un laboratorio sperimentale analogo ma situato a Terra. Il sistema strumentale originale creato nei laboratori terrestri occupava circa 20 metri cubi e pesava dieci tonnellate. Per portarlo nello spazio è stato miniaturizzato in un rack spaziale di circa 0,7 metri cubi e solo 500 chilogrammi di peso.

Nell'apparato CAPR vengono generati dei fasci laser focalizzati per bloccare gli atomi in una vera e propria buca di potenziale che trattiene la particella in posizione. Il laser rallenta in questo modo gli atomi attraverso lo scambio di quantità di moto con i fotoni, prelevando energia cinetica e raffreddandoli.  Si passa poi al raffreddamento evaporativo in cui la trappola viene regolata in modo da lasciar uscire gli atomi più energetici. Quelli che restano si ridistribuiscono a un'energia media più bassa e quindi a una temperatura inferiore.

È stato così possibile ottenere il condensato di Bose-Einstein. La nube è stata poi trasferita in una trappola ottica più ampia e il confinamento è stato ulteriormente indebolito, riducendo l'energia degli atomi tramite un’ulteriore espansione del gas.

Per misurare la temperatura del gas i ricercatori ne hanno misurato l'espansione nelle tre dimensioni (cioè il residuo dell’energia cinetica delle particelle). La temperatura equivalente di 9,7 pK è stata ricavata quindi sommando le tre dimensioni. Per misurare una temperatura così bassa quindi non si usa un termometro, ma si analizza la distribuzione spaziale degli atomi e la velocità con cui si allontanano.

Le applicazioni scientifiche che potrebbero usare atomi ultrafreddi

Secondo i ricercatori dello studio il risultato ottenuto sulla Tiangong potrebbe aprire due importanti direzioni di ricerca nella fisica fondamentale.

La prima permetterebbe di riprodurre in laboratorio il comportamento di sistemi quantistici complessi e di ricreare fasi esotiche della materia difficili da studiare direttamente. Per esempio attraverso fasci laser opportunamente configurati è possibile creare dei reticoli ottici, strutture periodiche che funzionano come una sorta di cristallo artificiale fatto di luce, nel quale gli atomi vengono confinati in posizioni regolari.

Modificando l'intensità e la disposizione dei laser usati per intrappolare gli atomi i ricercatori possono controllare le interazioni tra gli atomi e studiare differenti stati della materia. Tra questi ci sono le fasi di Mott che descrivono una particolare transizione della materia in cui un materiale che dovrebbe comportarsi come un conduttore elettrico si rivela in realtà un isolante a causa delle forti interazioni repulsive tra gli elettroni.

La seconda direzione riguarda invece lo sviluppo di interferometri atomici spaziali. Attraverso impulsi laser, sfruttando la natura ondulatoria degli atomi, è possibile dividere una nube atomica in due pacchetti d'onda, farli seguire percorsi differenti e successivamente ricombinarli (il fenomeno chiamato appunto interferometria).

Le onde quindi interferiscono tra loro producendo un segnale estremamente sensibile alle accelerazioni e alle variazioni del campo gravitazionale. Temperature più basse e tempi di osservazione più lunghi permettono di migliorare la precisione di queste misurazioni. In prospettiva strumenti che usano questa tecnica potrebbero consentire di mappare con maggiore accuratezza il campo gravitazionale terrestre e condurre test di precisione su alcuni principi fondamentali della fisica come il principio di equivalenza previsto dalla relatività generale di Einstein.

Il principio di equivalenza afferma che tutti i corpi, indipendentemente dalla loro massa e composizione, cadono con la stessa accelerazione in un campo gravitazionale quando sono trascurabili le altre forze. Misurare questo principio in microgravità permette di osservare gli atomi in caduta libera per periodi molto più lunghi rispetto a un laboratorio terrestre, aumentando sensibilmente la precisione della misura.

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