La condizione di microgravità ha da tempo dimostrato alcuni comportamenti dei liquidi, differenti rispetto a quelli che si osservano a terra. Lo spazio si è dunque presentato come un ottimo ambiente sperimentale in cui studiare la materia senza la perturbazione introdotta dalla gravità terrestre. Un traguardo senza precedenti in questo ambito è stato raggiunto nella ISS all’interno del Cold Atom Lab, il primo impianto di fisica quantistica a bordo della stazione spaziale.

Bolle di gas prossime allo zero assoluto

Un gruppo di ricercatori a terra, controllando da remoto il laboratorio Cold Atom Lab, ha creato delle bolle ultrafredde partendo da un insieme di atomi di gas a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 °C). Le più grandi hanno dimensioni di un millimetro di diametro e un micrometro di spessore (pari a un millesimo di millimetro). Solamente un centinaio di atomi formano le piccolissime e sottili strutture quasi sferiche ottenute, nulla in confronto ai miliardi di trilioni contenuti in un millimetro cubo d’aria.

Queste bolle ultrafredde potranno essere utilizzare per esperimenti sul quinto stato della materia: il condensato di Bose-Einstein (BEC). In questa condizione, è possibile osservare proprietà quantistiche a occhio nudo, grazie al comportamento collettivo di alcune delle particelle che formano la materia a temperature estremamente fredde. Rappresentano dunque un’importante geometria su cui condurre esperimenti per comprendere la fisica quantistica come mai prima d’ora.

Come interferisce la gravità

La geometria sferica dell’insieme di atomi ultrafreddi studiati è ottenibile solamente in un ambiente di microgravità. Infatti la gravità terrestre formerebbe strutture più simili a quelle di una lente a contatto, piuttosto che una bolla. L’ambiente spaziale quindi non solo dà l’accesso a strutture della materia irrealizzabili sulla Terra, ma ne permette anche lo studio senza l’effetto perturbativo della gravità. Quest’ultimo infatti interferisce in maniera significativa anche nel moto e nel comportamento dei fluidi, nascondendo l’effetto di altri fattori centrali come la viscosità e la tensione superficiale.

I prossimi passi della ricerca condotta su questi atomi ultrafreddi prevedono lo studio del loro comportamento in diverse geometrie. David Aveline, principale autore dell’articolo pubblicato su Nature spiega che queste manipolazioni hanno dimostrato storicamente l’emergere di nuova fisica e nuove applicazioni.

Successivamente, l’obbiettivo è la transizione del gas ultrafreddo allo stato BEC. Nathan Lundblad, professore di fisica presso il Bates College di Lewiston, a questo riguardo ha affermato:

“Alcuni lavori teorici suggeriscono che se lavoriamo con una di queste bolle nello stato BEC, potremmo essere in grado di formare vortici nel materiale quantistico. Questo è un esempio di configurazione fisica che potrebbe aiutarci a comprendere meglio le proprietà del condensato. E ottenere maggiori informazioni sulla natura della materia quantistica.”

Il condensato di Bose-Einstein

Quando pensiamo agli stati della materia, i primi a venirci in mente sono quello solido, liquido e gassoso. In realtà, la materia può trovarsi in numerosi stati, molto diversi tra loro, ottenuti per variazioni di temperatura e pressione. Tra questi troviamo il plasma e il condensato di Bose-Einstein.

Quest’ultimo fu teorizzato da Albert Einstein e Satyendra Nath Bose nel 1924. Descrive un particolare stato in cui si possono trovare i bosoni, una delle due classi fondamentali di particelle subatomiche di cui si compone la materia. Diversamente da quello che accade ai fermioni, un sistema di bosoni a basse temperature può dare vita al condensato di Bose-Einstein. Questo avviene perché tutti i bosoni del sistema possono riunirsi allo stesso livello di energia e iniziare a comportarsi come un unico corpo. Nei fermioni invece questo non succede a causa del principio di esclusione di Pauli, che vieta l’esistenza di due particelle fermioniche identiche allo stesso livello di energia.

La particolarità più grande di questo stato della materia è la possibilità di osservare proprietà quantistiche a livello macroscopico. Tra queste ad esempio il comportamento duale della materia di onda-particella. Solo nel 1995 si ottenne una prova sperimentale dell’esistenza del condensato di Bose-Einstein. I fisici Eric Cornell e Carl Wienman riuscirono a produrre in laboratorio il primo BEC di rubidio, un traguardo che permise loro, insieme a Wolfgang Ketterle, di vincere il Premio Nobel per la fisica nel 2001.

Lo studio completo, pubblicato su Nature, è disponibile qui.

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