I condensati di Bose-Einstein sono composti da bosoni raffreddati a una frazione sopra lo zero assoluto. Ciò li induce ad affondare nel loro stato a bassa energia, muovendosi molto lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producendo una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “super-atomo” o un’onda di materia.
La NASA, nel luglio di quasi due anni fa, ha annunciato un risultato incredibile. Un esperimento effettuato sulla ISS, la Stazione Spaziale Internazionale, che orbita a 400 Km sopra la Terra, è riuscita a raggiungere la temperatura punto più fredda mai rilevata nello spazio. Nell’esperimento sono stati utilizzati atomi di un metallo morbido chiamato rubidio che sono stati portati a una temperatura incredibilmente bassa pari a circa 100 nano kelvin, cioè un decimilionesimo di un kelvin sopra lo zero assoluto.
Gli atomi di rubidio super freddi hanno formato una nuvola chiamata condensato di Bose-Einstein, l’esotico “quinto” stato della materia, che potrebbe aiutarci a comprendere le proprietà quantistiche degli atomi ultra freddi.
Ma la ricerca non si è fermata. Usando il Cold Atom Laboratory del Jet Propulsion Laboratory, gli scienziati hanno proseguito nella produzione di condensati di Bose-Einstein a meno di un nano Kelvin sopra lo zero assoluto, sfruttando le condizioni di microgravità presenti a bordo della stazione spaziale, per saperne di più su questo stato.
I condensati di Bose-Einstein sono composti da bosoni raffreddati a una frazione sopra lo zero assoluto (ma non raggiungono lo zero assoluto, a quel punto gli atomi smetterebbero di muoversi il che è impossibile). Ciò li induce ad affondare nel loro stato a bassa energia, muovendosi molto lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producendo una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “super-atomo” o un’onda di materia.
Poiché la meccanica quantistica, in cui ogni particella può essere descritta come un’onda, è più facile da osservare su scala atomica, i condensati di Bose-Einstein permettono agli scienziati di studiare il comportamento quantico su una scala molto più ampia, invece di cercare di studiare singoli atomi.
Gli scienziati possono realizzare in laboratorio i condensati di Bose-Einstein, usando una combinazione di raffreddamento laser, campi magnetici e raffreddamento per evaporazione. Quest’ultima tecnica è il passo finale: gli atomi sono tenuti in una trappola magnetica e la radiazione a radiofrequenza viene utilizzata per far “evaporare” le particelle più energetiche, lasciando indietro quelle fredde e lente per formare il condensato.
Una volta fatto questo, la trappola viene disattivata e gli scienziati possono eseguire i loro esperimenti. Ma devono farlo in fretta: la forza repulsiva naturale esistente tra gli atomi farà espandere e dissipare il condensato. Per effetto della gravità questo processo avviene abbastanza velocemente, solo poche decine di millisecondi. In orbita invece, a bordo della ISS in microgravità, gli scienziati possono creare un condensato di Bose-Einstein che può durare più di un secondo.
Inoltre l’impatto ridotto della gravità permette al condensato di formare un disco appiattito che consente una migliore finestra di osservazione del condensato sia prima che appena dopo il suo rilascio. Questo è ciò che i ricercatori hanno fatto con il Cold Atom Laboratory, ma quando hanno sondato i condensati che hanno prodotto, hanno trovato effetti impossibili da verificarsi nella gravità terrestre.
Cosi spiegano i ricercatori nel loro articolo: “Troviamo che il raffreddamento per evaporazione indotto dalla radiofrequenza rivela risultati marcatamente diversi nella microgravità. Osserviamo un aumento in orbita del numero di atomi di quasi tre volte. Attraverso l’applicazione di vari gradienti di campo magnetico, confermiamo che circa la metà degli atomi sono nello stato magneticamente insensibile | 2, 0⟩, formando un alone attorno alla posizione della trappola magnetica“.
Sulla Terra, la gravità è la forza dominante che agisce su questi atomi, rimuovendoli dalla trappola. Nello spazio, riuscire a osservare più da vicino il condensato ha rivelato un alone di atomi di rubidio sciolti che si librano attorno ai bordi della nuvola.
Grazie alla tecnica utilizzata per raffreddare il materiale, questi atomi sono poco influenzati dalla trappola magnetica. Negli esperimenti a terra solitamente la gravità li allontana. Ma in regime di micro gravità, rimangono ai bordi del condensato, fornendo una risorsa ultra-fredda potenzialmente utile per studi futuri.
La fattibilità della produzione di condensati di Bose-Einstein più freddi e più duraturi significa anche che possiamo iniziare a pensare ad altri modi in cui possiamo studiarli. Ad esempio, è possibile creare trappole impossibili da realizzare sulla Terra per vedere se si possono osservare diversi comportamenti quantistici. Le proprietà d’onda dei condensati di Bose-Einstein sono inoltre potenzialmente utili per gli interferometri atomici, che possono essere utilizzati per misurare costanti fisiche fondamentali.
“Abbiamo utilizzato le capacità di base della CAL in orbita terrestre bassa per dimostrare i benefici immediati e fondamentali della microgravità per esperimenti sugli atomi ultrafreddi … Questi esperimenti costituiscono l’inizio di anni di operazioni scientifiche, con capacità aggiuntive dello strumento da impiegare tempo“, scrivono i ricercatori nel loro articolo .
“I futuri aggiornamenti modulari per lo strumento CAL sono disponibili per studi di missione estesi, incluso un modulo scientifico realizzato dal JPL con un interferometro ad onda atomica. Inoltre, i carichi utili per le missioni successive sono in fase di proposta e sviluppo, assicurando la presenza e l’applicazione continue di atomi ultra-freddi in orbita“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature.
Fonte: Reccon Magazine
