Quinto stato della materia nello spazio (sulla ISS)

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11 mesi fa

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Il quinto stato della materia è un condensato di Bose-Einstein: si tratta cioè di particelle (bosoni) raffreddati tanto da trovarsi poco sopra lo zero assoluto. In questo stato riescono ad avvicinarsi abbastanza fino a sovrapporsi, producendo una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “superatomo” o onda di materia.

Qualche tempo fa abbiamo avuto la notizia della creazione del quinto stato della materia dal salotto di casa, evento doppiamente incredibile in quanto questa particolare situazione in cui si riesce a portare la materia era stata addirittura creata controllando l’esperimento non direttamente in laboratorio, ma “da remoto”.

Oggi invece parliamo del lavoro del Cold Atom Laboratory del Jet Propulsion Laboratory, un posto altrettanto particolare in quanto si trova a bordo della Stazione Internazionale Orbitante.

Ma facciamo un passo indietro e raccontiamo la storia dall’inizio.

Nel luglio del 2018, la NASA ha annunciato un risultato incredibile. Avevano creato il punto più freddo nello spazio, proprio sulla Stazione Spaziale Internazionale, in orbita attorno alla Terra.

Avevano preso atomi di un metallo morbido chiamato rubidio e li hanno raffreddati a temperature di circa 100 nano Kelvin, un decimilionesimo di un Kelvin sopra lo zero assoluto.

Ciò ha provocato una nuvola super fredda chiamata condensato di Bose-Einstein, l’esotico “quinto” stato della materia, che potrebbe aiutarci a comprendere 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 a meno di un nano Kelvin sopra lo zero assoluto, sfruttando le condizioni di microgravità a bordo della stazione spaziale per saperne di più su questo stato di quanto potessimo fare sulla Terra.

I condensati di Bose-Einstein sono piuttosto strani. Sono formati da bosoni raffreddati a una frazione di grado sopra lo zero assoluto (ma non raggiungendo lo zero assoluto, perché a quel punto smetterebbero di muoversi). Ciò li induce a muoversi molto lentamente e avvicinarsi abbastanza fino a sovrapporsi, producendo una nuvola di atomi ad alta densità che si comporta come un “superatomo” o onda di materia.

Poiché la meccanica quantistica – in cui ogni particella può essere descritta come un’onda – è più facile da osservare su scala atomica, i condensati di Bose-Einstein consentono agli scienziati di studiare il comportamento quantico su una scala molto più ampia, invece di cercare di studiare singoli atomi.

I condensati di Bose-Einstein possono essere creati qui sulla Terra, usando una combinazione di raffreddamento laser, campi magnetici e raffreddamento per evaporazione. 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 energiche, lasciando indietro quelle fredde e lente 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 fa espandere e dissipare la nuvola.

In condizioni di microgravità (come quelle presenti sulla ISS) si può creare un condensato di Bose-Einstein che può durare più di un secondo.

Inoltre, in queste speciali condizioni la condensa può formarsi su un piatto. Ciò ha fornito ai ricercatori una finestra migliore per osservare il cloud, sia prima che subito 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 per evaporazione indotto dalla radiofrequenza rivela risultati marcatamente diversi nella microgravità

scrivono nel loro articolo.

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 sono nello stato magneticamente insensibile | 2, 0⟩, formando un alone nuvola attorno alla posizione della trappola magnetica.

Sulla Terra, la gravità è la forza dominante che agisce su questi atomi, rimuovendoli da intorno alla trappola.

Nello spazio, riuscire a dare un’occhiata più da vicino al condensato ha rivelato un alone di atomi di rubidio sciolti che si librano attorno ai bordi della nuvola. Grazie al modo in cui il materiale veniva raffreddato, questi atomi erano minimamente influenzati dalla trappola magnetica.

La gravità di solito li allontanava. Ma in caduta libera, sono rimasti in giro, creando una nuvola ultrafredda potenzialmente utile per studi futuri.

La fattibilità della produzione di condensati di Bose-Einstein più freddi e più duraturi significa anche che possiamo iniziare a pensare ad altri modi in cui possiamo studiarli. Ad esempio, è possibile creare forme di trappole non possibili sulla Terra per vedere se si possono osservare diversi comportamenti quantistici.

 

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