La Fisica e il freddo: corsa verso lo zero assoluto

In attesa dell’appuntamento di mercoledì sera sui misteri della simmetria, pubblichiamo un breve report sul passato incontro de “La Fisica incontra la Città”

Cosa succede quando la temperatura si abbassa vertiginosamente, fino a raggiungere temperature vicine allo zero assoluto? Come possiamo sfruttare questa conoscenza nella vita di tutti i giorni? Questo l’argomento del primo incontro del 2015 del ciclo “La Fisica Incontra la città”. Il Prof. Stringari dell’Universitá di Trento ci ha ricordato che, fino all’inizio del XIX secolo, l’uomo è riuscito solo a produrre calore ma non il freddo. Oggi, invece, il freddo trova impiego in molteplici campi, dal frigorifero alle piste per il pattinaggio sul ghiaccio, fino ad arrivare alla criobiologia, alla costruzione di superconduttori per fare risonanze magnetiche o per treni a lievitazione magnetica e perché no, anche microchip atomici.
La temperatura più bassa misurata al giorno d’oggi è 0.0000000004 gradi Kelvin: vicino allo zero assoluto (che equivale a -273°C), ma non proprio zero. Per capire cosa succede a queste temperature dobbiamo abbandonare la visione classica della fisica per addentrarci nella meccanica quantistica, branca nata agli inizi del ‘900, che trova applicazione in tutti i processi tecnologici moderni.
La meccanica quantistica, a basse temperature, predice un fenomeno nuovo chiamato “Condensazione di Bose-Einstein” (1924-1925). Esistono delle particelle, chiamate bosoni, che riescono ad accumularsi nello stato a energia più basso quando la temperatura scende al di sotto di un valore critico. Questo causa una transizione di fase: un po’ come succede all’acqua quando la temperatura scende sotto zero e si trasforma in ghiaccio. In modo simile, questo gas di bosoni cambia il suo stato e diventa un condensato di Bose-Einstein.
Il fenomeno della Condensazione di Bose-Einstein è oggi realizzato e studiato in molti laboratori del mondo, anche in Italia, e coinvolge migliaia di ricercatori. Grazie a questo fenomeno quantistico possiamo realizzare diversi dispositivi come per esempio microchip atomici per il calcolo quantistico, o interferometri atomici per misure di alta precisione. Forse però, come suggerisce il Prof. Stringari, le applicazioni più importanti sono ancora da scoprire.
Riuscire a ottenere temperature talmente basse da produrre questo fenomeno, rappresenta una delle sfide tecnologiche della fisica atomica moderna e implica metodologie e tecniche di misura piuttosto complicate. Nonostante le difficoltà di realizzazione che il problema presenta, lo sviluppo dei metodi di raffreddamento e di intrappolamento con luce laser, ha fatto vincere a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e William D. Phillips, nel 1997, il Premio Nobel per la Fisica. Nel 2001 gli scienziati Eric Cornell, Wonfalng Ketterle e Carl Wieman vinsero il Nobel per la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein nei gas diluiti di atomi alkalini. Nella scienza, come nella vita, non bisogna limitarsi alle conoscenze già possedute, ma bisogna lasciarsi pervadere da un’idea di curiosità e fantasia: in questo modo non ci sono traguardi che non possono essere tagliati.

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