NASA Science Mission Directorate

Jan. 30, 2014: Tutti sanno che lo spazio è freddo. Nel vasto golfo tra stelle e galassie, la temperatura della materia gassosa scende regolarmente a 3 gradi K, o 454 gradi sotto zero Fahrenheit.

Sta per diventare ancora più freddo.

I ricercatori della NASA stanno progettando di creare il punto più freddo dell’universo conosciuto all’interno della Stazione Spaziale Internazionale.

“Studieremo la materia a temperature molto più fredde di quelle che si trovano naturalmente”, afferma Rob Thompson del JPL. È lo scienziato del progetto per il Cold Atom Lab della NASA, un “frigorifero” atomico previsto per il lancio sulla ISS nel 2016. “Miriamo a spingere le temperature effettive fino a 100 pico-Kelvin.”

100 pico-Kelvin è solo un decimo miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto, dove tutta l’attività termica degli atomi si ferma teoricamente. A temperature così basse, i concetti ordinari di solido, liquido e gas non sono più rilevanti. Gli atomi che interagiscono appena sopra la soglia di energia zero creano nuove forme di materia che sono essenzialmente … Quantum.

La meccanica quantistica è una branca della fisica che descrive le bizzarre regole della luce e della materia su scale atomiche. In quel regno, la materia può essere in due posti contemporaneamente; gli oggetti si comportano sia come particelle che come onde; e nulla è certo: il mondo quantistico corre sulla probabilità.

È in questo strano regno che i ricercatori che utilizzano il Cold Atom Lab si tufferanno.

“Inizieremo”, dice Thompson, “studiando i condensati di Bose-Einstein.”

Nel 1995, i ricercatori hanno scoperto che se si prendessero alcuni milioni di atomi di rubidio e li raffreddassero vicino allo zero assoluto, si fonderebbero in un’unica ondata di materia. Il trucco ha funzionato anche con il sodio. Nel 2001, Eric Cornell del National Institute of Standards & Tecnologia e Carl Wieman della University of Colorado condiviso il premio Nobel con Wolfgang Ketterle del MIT per la loro scoperta indipendente di questi condensati, che Albert Einstein e Satyendra Bose avevano predetto nei primi anni del 20 ° secolo.

Se crei due BEC e li metti insieme, non si mescolano come un normale gas. Invece, possono “interferire” come onde: sottili strati paralleli di materia sono separati da sottili strati di spazio vuoto. Un atomo in un BEC può aggiungersi a un atomo in un altro BEC e produrre – nessun atomo a tutti.

“Il Cold Atom Lab ci permetterà di studiare questi oggetti forse alle temperature più basse di sempre”, afferma Thompson.

Il laboratorio è anche un luogo dove i ricercatori possono mescolare gas atomici super-cool e vedere cosa succede. “Miscele di diversi tipi di atomi possono fluttuare insieme quasi completamente prive di perturbazioni”, spiega Thompson, “permettendoci di effettuare misurazioni sensibili di interazioni molto deboli. Ciò potrebbe portare alla scoperta di fenomeni quantistici interessanti e nuovi.”

La stazione spaziale è il posto migliore per fare questa ricerca. La microgravità consente ai ricercatori di raffreddare i materiali a temperature molto più fredde di quelle possibili sul terreno.

Thompson spiega perché:

“È un principio base della termodinamica che quando un gas si espande, si raffredda. Molti di noi hanno esperienza pratica con questo. Se spruzzi una lattina di aerosol, la lattina si raffredda.”

I gas quantici sono raffreddati più o meno allo stesso modo. Al posto di una bomboletta aerosol, però, abbiamo un ‘ trappola magnetica.’

“Sulla ISS, queste trappole possono essere rese molto deboli perché non devono sostenere gli atomi contro la forza di gravità. Le trappole deboli consentono ai gas di espandersi e raffreddarsi a temperature più basse di quelle possibili sul terreno.”

Nessuno sa dove porterà questa ricerca fondamentale. Anche le applicazioni “pratiche” elencate da Thompson-sensori quantistici, interferometri a onde di materia e laser atomici, solo per citarne alcuni—suonano come fantascienza. “Stiamo entrando nell’ignoto”, dice.

Ricercatori come Thompson pensano al Cold Atom Lab come a una porta nel mondo quantistico. La porta potrebbe oscillare in entrambe le direzioni? Se la temperatura scende abbastanza bassa, ” saremo in grado di assemblare pacchetti di onde atomiche larghi come un capello umano enough cioè abbastanza grandi da far vedere all’occhio umano.”Una creatura della fisica quantistica sarà entrata nel mondo macroscopico.

E poi inizia la vera eccitazione.

Per ulteriori informazioni sul Cold Atom Lab, visitare coldatomlab.jpl.nasa.gov

Autore: Dr. Tony Phillips / Editor di produzione: Dr. Tony Phillips / Credito: Scienza @ NASA