Raffreddamento a singolo fotone

Il team di Mark George Raizen (titolare della Sid W. Richardson Foundation Regents Chair in fisica all’Università del Texas ad Austin) ha elaborato un metodo per portare a temperature estremamente basse (1/15000000 di kelvin) i gas, perfino gli isotopi dell'idrogeno e alcune molecole.
Il primo stadio del raffreddamento può far diminuire la temperatura di un gas fino a circa un centesimo di grado sopra lo zero assoluto sparando nel vuoto ad alta velocità e poi rallentandolo con un nuovo dispositivo detto cannone magnetico atomico.

Io sono partito da un trucco consolidato. Più di quarant’anni fa i chimici hanno scoperto che, a una pressione di diverse atmosfere, il gas che si espande nel vuoto attraverso un foro si raffredda in modo significativo. Questi “fasci supersonici” sono quasi monoenergetici, cioè la velocità delle singole molecole è molto vicina alla velocità media; per esempio, se un fascio esce a 3200 chilometri all’ora la velocità delle molecole da cui è composto devierà da questo valore per un massimo di 32 chilometri all’ora. Per confronto, la velocità delle molecole d’aria a temperatura ambiente, il cui valore medio è di circa 3200 chilometri all’ora, può andare da 0 a 6400 chilometri all’ora. Dal punto di vista termodinamico ciò significa che il fascio, pur avendo una notevole quantità di energia, è estremamente freddo.

La seconda fase del raffreddamento prevede l’utilizzo di una “porta unidirezionale” che diminuisce il volume del gas senza aumentarne la temperatura. Così riportando il gas al volume iniziale la temperatura cala nuovamente.

Una porta può funzionare in modo unidirezionale se gli atomi del gas hanno due stati diversi (due possibili configurazioni degli elettroni orbitanti), entrambi a bassa energia e quindi stabili. Per distinguerli, chiamiamo i due stati “blu” e “rosso”. Gli atomi sono in un contenitore diviso a metà da un fascio laser. La lunghezza d’onda laser fa rimbalzare gli atomi rossi che si avvicinano al fascio, quindi per questi atomi funziona sostanzialmente come porta chiusa. All’inizio tutti gli atomi sono blu, quindi possono attraversare la barriera laser. Gli atomi a destra del fascio, però, sono colpiti da un secondo laser, la cui lunghezza d’onda invece li fa passare dallo stato blu allo stato rosso per diffusione di un singolo fotone. Ora gli atomi sono rossi, e quindi sono respinti dal fascio che agisce da barriera e non possono attraversare nuovamente la porta per tornare nella parte sinistra del contenitore. Alla fine, gli atomi si raccolgono nella parte destra, e quella sinistra resta vuota.

L’animazione dell’esperimento.

Applicazioni:

– Verso la fine degli anni novanta, Dan Kleppner e Thomas J. Greytak hanno raffreddato l’idrogeno (vedi anche: Condensato di Bose-Einstein), ma non i suoi isotopi; il raffreddamento a singolo fotone funziona anche per gli isotopi, ciò permette anche di studiare le proprietà delle particelle elementari. Vediamo perché: il trizio (un protone e due neutroni) è radioattivo e si trasforma in elio-3 (decadimento di un neutrone in protone + elettrone + antineutrino). Misurando l’energia dell’elettrone si potrebbe determinare l’energia portata via dal neutrino, cioè la massa dell’antineutrino. Il neutrino è la particella elementare più abbondante nell’universo, ha massa molto minore di 1/150 di quella dell’elettrone, è elettricamente neutro ed è priva di carica di colore.

– Con questo metodo inoltre è possibile produrre piccole quantità di isotopi, come calcio-48 e itterbio-168, importanti per la medicina e la ricerca di base, senza rischio di proliferazione nucleare. Attualmente la separazione della maggior parte degli isotopi si ottiene con un dispositivo detto “calutrone”, inventato da Ernest Lawrence durante il progetto Manhattan. (vedi: uranio arricchito).

– Costruzione di strutture nanometriche: invece di rallentare gli atomi, i campi magnetici potrebbero focalizzare il fascio come una lente focalizza la luce, ma con una risoluzione di appena un nanometro, o anche meno. Questo potrebbe permettere di superare l’attuale nanolitografia.

Fonte: “Diavoli, Entropia e la corsa verso lo zero assoluto” in “Le Scienze”, n° 513, Maggio 2011, p. 58