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Gli scienziati hanno prodotto per la prima volta i condensati di Bose-Einstein nello spazio
La creazione della materia esotica sulla Stazione Spaziale Internazionale è un'impresa tecnologica che potrebbe aiutare a svelare profondi misteri della fisica. 11 giugno 2020
La cella scientifica del laboratorio dell'atomo freddo. Gli atomi vicino al soffitto vengono raffreddati e formati in condensato di Bose-Einstein. Nasa
A bordo della Stazione Spaziale Internazionale da maggio 2018 c'è una struttura delle dimensioni di un mini-frigorifero chiamata Cold Atom Lab (CAL), in grado di raffreddare gli atomi nel vuoto fino a temperature di un decimiliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. È, a tutti gli effetti, uno dei punti più freddi dell'universo conosciuto. E secondo a nuovo studio pubblicato su Nature , gli scienziati l'hanno appena usato per creare per la prima volta nello spazio uno stato raro della materia.
I condensati di Bose-Einstein, a volte chiamati il quinto stato della materia, sono nubi gassose di atomi che smettono di comportarsi come atomi individuali e iniziano a comportarsi come un collettivo. I BEC, come vengono spesso chiamati, sono stati previsti per la prima volta da Albert Einstein e Satyendra Nath Bose oltre 95 anni fa, ma sono stati osservati per la prima volta in laboratorio dagli scienziati solo 25 anni fa.
L'idea generale quando si effettua un BEC è iniettare atomi (nel caso di CAL, rubidio e potassio) in una camera ultrafredda per rallentarli. Viene quindi creata una trappola magnetica nella camera con una bobina elettrificata, che viene utilizzata insieme a laser e altri strumenti per spostare gli atomi in una nuvola densa. A questo punto gli atomi si confondono l'uno nell'altro, afferma David Aveline, fisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA e autore principale del nuovo studio.
Per eseguire esperimenti utilizzando un BEC, è necessario abbassare o rilasciare la trappola magnetica. La nuvola di atomi affollati si espanderà, il che è utile perché i BEC devono rimanere freddi e i gas tendono a raffreddarsi mentre si espandono. Ma se gli atomi in un BEC si allontanano troppo, non si comportano più come un condensato. È qui che entra in gioco la microgravità dell'orbita terrestre bassa. Se provi ad aumentare il volume sulla Terra, dice Aveline, la gravità attirerà semplicemente gli atomi al centro della nuvola BEC fino al fondo della trappola finché non fuoriescono, distorcendo la condensa o rovinandola completamente. Ma in microgravità, gli strumenti nel CAL possono tenere insieme gli atomi anche se il volume della trappola aumenta. Ciò crea un condensato più longevo, che a sua volta consente agli scienziati di studiarlo più a lungo di quanto potrebbero sulla Terra (questa dimostrazione iniziale è durata 1.118 secondi, sebbene l'obiettivo sia essere in grado di rilevare la nuvola per un massimo di 10 secondi).
David Aveline osserva CAL nei test ambientali presso il Jet Propulsion Lab della NASA prima del lancio.
Sebbene sia solo un primo passo, l'esperimento CAL potrebbe un giorno consentire ai BEC di formare la base di strumenti ultrasensibili che rilevano deboli segnali da alcuni dei fenomeni più misteriosi dell'universo, come le onde gravitazionali e l'energia oscura. Da una prospettiva più pratica, Aveline ritiene che il lavoro del team potrebbe aprire la strada a sensori inerziali migliori. Le applicazioni vanno da accelerometri e sismometri a giroscopi, dice.
Nel frattempo, i ricercatori possono giocare con CAL, che Aveline descrive come un sistema di manopole da girare, per creare condizioni uniche per la sperimentazione con gli atomi. Il team ora sa che può creare condensati di Bose-Einstein nello spazio. Il passo successivo è modificare le impostazioni per vedere cosa succede loro quando le manopole vengono ruotate su 11, per così dire.