Come si ottiene lo zero assoluto in laboratorio?

Lo zero assoluto (-273,15 °C) rappresenta il limite termodinamico invalicabile: a questa temperatura, l’energia cinetica delle particelle è ridotta al minimo previsto dalle leggi della meccanica quantistica. Sebbene la terza legge della termodinamica impedisca di raggiungerlo esattamente, gli scienziati (come nel celebre centro di ricerca del **LENS di Arcetri**) riescono ad arrivarci estremamente vicino.

Laboratorio LENS di Arcetri (Firenze)

La prima fase: Il “Freddo di Luce” (Raffreddamento Laser)

Inizialmente, un gas rarefatto viene introdotto in una cella a vuoto spinto per evitare la liquefazione. Per raffreddarlo, si utilizza la tecnica del raffreddamento Doppler tramite laser:

• Rallentamento atomico: Gli atomi vengono colpiti da fasci laser provenienti da direzioni opposte. Se un atomo si muove verso il laser, “vede” una frequenza leggermente diversa (effetto Doppler) e assorbe i fotoni, ricevendo una spinta contraria al proprio moto.
• Il limite dei fotoni: Come giustamente osservato, questa tecnica ha un limite: l’urto continuo con i fotoni causa un “rinculo” che mantiene gli atomi in una sorta di agitazione residua, impedendo di scendere sotto il milionesimo di grado.

Particolare della tecnologia laser

Un dettaglio dei sistemi di puntamento laser, fondamentali per la prima fase di raffreddamento

La seconda fase: Il Raffreddamento Evaporativo

Per superare il limite del laser, si ricorre alla trappola magnetica e all’evaporazione selettiva:

• Selezione degli atomi: La trappola magnetica trattiene gli atomi. Abbassando gradualmente i “bordi” di questa trappola, si permette agli atomi più energetici (più caldi) di sfuggire.
• Auto-raffreddamento: Gli atomi rimasti, urtandosi tra loro, ridistribuiscono l’energia residua e la temperatura media del campione crolla drasticamente, raggiungendo nanogradi (miliardesimi di grado) sopra lo zero assoluto.

Il traguardo: Il Condensato di Bose-Einstein (BEC)

L’aspetto più affascinante di questo processo è ciò che accade alla materia quando si avvicina così tanto allo zero assoluto. Gli atomi smettono di comportarsi come palline distinte e iniziano a “sovrapporsi” l’uno all’altro.

• La “Super-particella”: A queste temperature, migliaia di atomi perdono la loro identità individuale e si fondono in un unico stato quantistico, formando il Condensato di Bose-Einstein, spesso definito il quinto stato della materia.
• Onde di materia: In questo stato, gli atomi si comportano come un’unica grande onda di materia, permettendo di studiare fenomeni quantistici su scala macroscopica.

Visualizzazione del Condensato di Bose-Einstein

Questa è una rappresentazione di ciò che accade a livello microscopico: gli atomi (le creste nel grafico) si sovrappongono fino a formare un’unica entità coerente (il picco centrale), perdendo la loro identità individuale.

Perché non possiamo fermarli del tutto?

Il motivo per cui non si può raggiungere esattamente il valore di -273,15 °C risiede nel Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Se un atomo fosse perfettamente fermo, conosceremmo con precisione assoluta la sua posizione e la sua velocità (zero), il che è fisicamente impossibile secondo le leggi dell’universo. Esisterà sempre una “energia di punto zero” residua.

Applicazioni: questi esperimenti non sono solo curiosità: servono a costruire orologi atomici ultra-precisi e futuri computer quantistici. Esperimenti simili vengono ora condotti anche sulla Stazione Spaziale Internazionale (Cold Atom Lab), dove l’assenza di gravità permette di raggiungere temperature ancora più basse e tempi di osservazione più lunghi.

Cold Atom Lab (CAL) sulla Stazione Spaziale Internazionale

Il Freddo Estremo nello Spazio: Il Cold Atom Lab (CAL)

Mentre ad Arcetri e in altri laboratori terrestri combattiamo contro la gravità, la NASA ha installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) il Cold Atom Lab (CAL). Ma perché andare nello spazio per studiare lo zero assoluto?

1. La sfida della gravità

Sulla Terra, quando spegniamo le “trappole” magnetiche o laser per osservare gli atomi, questi cadono verso il basso a causa della gravità in una frazione di secondo. Questo limita il tempo che gli scienziati hanno per studiare il loro comportamento.

In orbita, in condizioni di microgravità, gli atomi “galleggiano”. Possono essere osservati mentre fluttuano per diversi secondi, permettendo di misurare fenomeni quantistici con una precisione senza precedenti.

2. Le temperature più basse dell’Universo

Lo spazio profondo ha una temperatura di circa -270 °C (dovuta alla radiazione cosmica di fondo). Sembra freddissimo, ma per un fisico è ancora “caldo”.

All’interno del Cold Atom Lab, i ricercatori sono riusciti a raggiungere temperature di picoKelvin (millesimi di miliardesimo di grado), rendendo quel piccolo volume all’interno della ISS il punto più freddo dell’intero universo conosciuto.

3. Oltre il limite: Bolle di atomi e nuove geometrie

Nello spazio è possibile creare forme che sulla Terra collasserebbero immediatamente.

Gli scienziati del CAL hanno creato per la prima volta dei “gusci” sferici di Condensato di Bose-Einstein. Immagina una bolla di sapone fatta di atomi allo zero assoluto: studiare come questa bolla vibra o ruota ci aiuta a capire meglio la superfluidità e la meccanica quantistica applicata a strutture complesse.