Nel luglio del 2018, la NASA ha annunciato un risultato incredibile. Avevano creato il punto più freddo nello spazio-proprio lì sulla Stazione Spaziale Internazionale, in orbita attorno alla Terra.
Hanno preso atomi di un metallo morbido chiamato rubidio e li hanno raffreddati a temperature intorno a 100 nanoKelvin – un dieci milionesimo di Kelvin sopra lo zero assoluto.,
Ciò ha portato a una nube super fredda chiamata condensato di Bose-Einstein, l’esotico ‘quinto’ stato della materia, e uno che potrebbe aiutarci a capire le strane proprietà quantistiche degli atomi ultra-freddi. Ma la ricerca non si è fermata qui.
Usando il Cold Atom Laboratory del Jet Propulsion Laboratory, gli scienziati hanno continuato a produrre condensati di Bose-Einstein meno di un nanoKelvin sopra lo zero assoluto – sfruttando le condizioni di microgravità a bordo della stazione spaziale per saperne di più su questo stato di quanto potremmo sulla Terra.,
I condensati di Bose-Einstein sono piuttosto strani. Sono formati da bosoni raffreddati a solo una frazione sopra lo zero assoluto (ma non raggiungono lo zero assoluto, a quel punto gli atomi smettono di muoversi). Questo li fa affondare al loro stato di energia più bassa, muovendosi estremamente lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producendo una nube ad alta densità di atomi che agisce 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 sulla scala atomica, i condensati di Bose-Einstein consentono agli scienziati di studiare il comportamento quantistico su una scala molto più ampia, invece di cercare di studiare singoli atomi.
I condensati di Bose-Einstein possono essere creati qui sulla Terra, utilizzando una combinazione di raffreddamento laser, campi magnetici e raffreddamento evaporativo., Quest’ultima tecnica è il passo finale: gli atomi sono tenuti in una trappola magnetica e la radiazione a radiofrequenza viene utilizzata per “evaporare” le particelle più energetiche, lasciando quelle fredde e pigre per formare la condensa.
Una volta che ciò si verifica, la trappola viene disattivata e gli scienziati possono eseguire esperimenti. Ma devono agire in fretta – la forza repulsiva naturale tra gli atomi causerà la nube di espandersi e dissipare. La gravità significa che questo processo avviene abbastanza velocemente-solo poche decine di millisecondi.,
Con gli effetti della gravità contrastati in caduta libera, tuttavia, puoi creare una condensa di Bose-Einstein che può durare più di un secondo.
Inoltre, il ridotto impatto della gravità significa che la condensa può formarsi in un piatto meno profondo. Ciò ha fornito ai ricercatori una finestra migliore per osservare la nuvola, sia prima che brevemente dopo il suo rilascio.
Questo è ciò che i ricercatori hanno ottenuto con il Cold Atom Laboratory – ma quando hanno sondato i condensati che hanno prodotto, hanno trovato effetti che non possono verificarsi nella gravità terrestre.,
“Troviamo che il raffreddamento evaporativo indotto dalla radiofrequenza rivela risultati marcatamente diversi in microgravità”, scrivono nel loro documento.
“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 si trova nello stato magneticamente insensibile |2, 0⟩, formando una nuvola simile ad 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, essere in grado di dare un’occhiata più da vicino la condensa ha rivelato un alone di atomi di rubidio sciolti in bilico intorno ai bordi della nube. Grazie al modo in cui il materiale è stato raffreddato, questi atomi hanno a malapena prestato attenzione alla trappola magnetica.
La gravità di solito li tirerebbe da parte, almeno sulla Terra. Ma in caduta libera, hanno appeso circa, fornendo una risorsa ultracold potenzialmente utile per lo studio futuro.,
La fattibilità di produrre condensati di Bose-Einstein più freddi e duraturi significa anche che possiamo iniziare a pensare ad altri modi in cui possiamo studiarli. Ad esempio, si potrebbero creare forme di trappola non possibili sulla Terra per vedere se si possono osservare diversi comportamenti quantistici.
Le proprietà delle onde dei condensati di Bose-Einstein sono anche potenzialmente utili per gli interferometri atomici, che possono essere usati per misurare costanti fisiche fondamentali.,
“Abbiamo utilizzato le funzionalità di base di CAL in orbita terrestre bassa per dimostrare i benefici immediati e fondamentali della microgravità per gli esperimenti sugli atomi ultracold… Questi esperimenti costituiscono l’inizio di potenzialmente anni di operazioni scientifiche, con capacità aggiuntive dello strumento da impiegare nel 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 costruito dal JPL con un interferometro a onde atomiche., Inoltre, i payload per le missioni successive sono in fase di proposta e sviluppo, assicurando la continua presenza e applicazione di atomi ultracold in orbita.”
La ricerca è stata pubblicata su Nature.
