Ecco il gas più freddo del mondo

Un team di fisici ha sviluppato una nuova tecnica per utilizzare gas atomici ultra-freddi per raffreddare materiale su larga scala fino a un solo grado sopra lo zero assoluto. È un enorme, nuovo cancello per il bizzaro reame della fisica dove anche il tempo sembra fermarsi assieme al movimento delle particelle.

Arrivare a temperature così basse non è esattamente un novità, ma ciò che i ricercatori, guidati dal fisico Philipp Treutlein dell'Università di Basilea, ​sembrano aver scoperto è un metodo per incrementare l'efficienza della tecnica di raffreddamento, riuscendo così a congelare sistemi grandi fino a un millimetro. Le implicazioni di questa scoperta sono decisamente bizzarre: è un modo per rendere il mondo dei quanti visibile a tutti.

Le temperature, ad un certo punto, non hanno molto a che fare con la "temperatura" ma diventano un'unità di misura per l'energia e per il grado di entropia. Gli atomi che formano diversi tipi di materia non sono mai davvero fermi; anzi, tremano e vibrano. Anche questo stupido tavolo sta affrontando una rivoluzione a livello atomico. Per quanto sia rilevante la temperatura di questa stanza, vive di entalpia (energia interna/termica) e di una buona vecchia entropia, che è l'unità di misura del disordine o dei possibili stati/modelli di un sistema.

Più le cose diventano fredde, più il mondo atomico rallenta. Ed è anche il significato vero e proprio di "raffreddamento": rallentamento fino ad uno stato di minima entalpia ed entropia. Gli atomi oscillano, guadagnando una sorta di risonanza interna grazie agli elettroni che rimbalzano su e giù tra i diversi livelli di energia dell'atomo. Atomi ultra-freddi sono atomi più lenti, e ciò significa che possono essere individuati con più precisione, e ciò è utile quando si parla di atomi di un orologio atomico.

Questo tipo di raffreddamento è fatto con dei laser. Si spara un raggio di fotoni a un qualche atomo e di tanto in tanto qualcuno di essi assorbirà una di queste particelle. Tutta la "spazzatura" dentro all'atomo si riordina, termicamente parlando, e così l'atomo caccia via un paio di fotoni. I fotoni che raccoglie e che espelle diventano luce.

Gli atomi ad un certo punto perdono tutta l'energia termica e il risultato è che smettono di comportarsi come oggetti su larga scala quali sono. (Un atomo, paragonato a un fotone, è come un intero universo per la particella di luce.) Gli atomi cominciano a fare cose quantiche, come occupare superposizioni, per esempio essere in più luoghi nello stesso momento. Questi atomi non sono più "cose", ma pacchetti di onde, modelli indeterminati di valori casuali.

Ciò è piuttosto strano e contro le regole, per un oggetto grosso come un atomo, ma il mondo super-raffreddato è un universo davvero strano. E può diventare ancora più strano.

Non esiste un frigorifero per temperature vicine allo zero assoluto e il modello a laser è abbastanza limitato, per ora, a sistemi grossi qualche miliardo di atomi—e si parla di cose più piccole di un granello di sabbia. Il gas atomico sviluppato da Treutlein offre qualcosa di un po' più vicino al frigorifero quantico. Il gas è creato attraverso la tecnica laser descritta sopra, ed è sempre molto, molto piccolo, ma ciò che i fisici hanno scoperto è che può essere utilizzato per raffreddare oggetti molto più grandi.

In questo caso, l'oggetto è una sottile membrana di silicone. Questo tipo di membrana ha l'interessante proprietà di comportarsi come una piccola pelle da tamburo, oscillando in sincronia con le vibrazioni termiche o con qualunque stato energetico/temperatura in cui capita di trovarsi. È una sorta di strumento che si misura da solo.

Nell'esperimento, la membrana è collegata a una nuvola atomica attraverso un raggio laser, che è la chiave. "Ad oggi, il raffreddamento con atomi e ioni atomici è stato utilizzato per raffreddare altre particelle microscopiche come altri atomi o ioni atomici," Treutlein e il suo team scrivono. "In questo esperimento, il raffreddante e l'obiettivo intergiscono attraverso collisioni elettrostatiche o a corto raggio all'interno di una trappola. Una grossa differenza nella loro massa riduce le performance di raffreddamento, ciò ha impedito l'estensione a oggetti più grandi."

Immagina che la nuvola abbia una certa risonanza che filtra la luce in maniera tale che la membrana acquisisce la stessa risonanza dal laser. A circa un millimetro di grandezza, questa membrana è relativamente gigante, diversi miliardi di volte più grande della nuvola. È visibile agli occhi, ma interagisce come un sistema meccanico quantico, ​come gli atomi raffreddati a laser degli orologi atomici. Il laser si comporta come una sorta di ponte, collegando sistemi molto diversi tra loro, in grandezza.

"Il trucco sta nel concentrare tutta la forza di raffreddamento degli atomi nella modalità di vibrazione desiderata della membrana," spega Andreas Jöckel, uno dei fisici dietro lo studio, in una dichiarazione. "La luce laser esercita delle forze sulle membrane e sugli atomi. La vibrazione della membrana cambia la forza della luci sugli atomi e viceversa."

Lo zero assoluto, o il mondo decisamente strano appena sopra quella temperatura, non è più un concetto così distante da noi. E non lo sembra nemmeno il reame dei quanti.