AGI – A bordo della stazione spaziale cinese Tiangong, una nube di circa ventimila atomi di rubidio è stata raffreddata fino a 9,7 picokelvin: meno di dieci millesimi di miliardesimo di grado sopra i −273,15 gradi Celsius che segnano il limite teorico del freddo. Nessuno era mai arrivato così vicino allo zero assoluto. Gli scienziati l’hanno seguita per sette secondi, un’eternità per questo tipo di fisica. Il risultato è stato presentato dall’Accademia Cinese delle Scienze durante un briefing sul programma della stazione spaziale ed è descritto in uno studio appena pubblicato sulla rivista Science.
È la temperatura più bassa mai ottenuta dall’uomo in un gas di atomi, e quindi la materia artificiale più fredda di cui si abbia notizia. Il primato precedente era stato reso noto nel 2021 da un gruppo di ricerca tedesco che lavorava alla torre di caduta libera del centro ZARM di Brema. Lasciando precipitare la nube atomica lungo un tubo alto oltre cento metri, i fisici avevano sfruttato pochi secondi di assenza di peso per portare il gas a 38 picokelvin. Anche il Cold Atom Laboratory della NASA, sulla Stazione Spaziale Internazionale, si era fermato più in alto, a 52 picokelvin.
La temperatura sulla stazione spaziale
C’è però una precisazione che aiuta a leggere il numero. I 9,7 picokelvin non sono la lettura di un termometro, ma una temperatura equivalente. I ricercatori hanno liberato la nube dalla trappola e misurato, lungo tre direzioni, la velocità con cui si allargava: più lenta è l’espansione, più freddo è il gas. La stima ha un margine di incertezza compreso tra 7 e 12,9 picokelvin, comunque ben al di sotto di qualsiasi primato precedente.
Che cos’è il freddo per la fisica
Per capire che cosa sia stato fatto lassù conviene ricordare che cos’è, per un fisico, il freddo. Gli atomi non stanno mai fermi e la temperatura misura proprio l’intensità della loro agitazione: raffreddarli significa rallentarli. Solo in prossimità dello zero assoluto il movimento quasi si spegne, e la materia smette di comportarsi come un insieme di particelle impazzite per assumere stati quantistici ordinati, che i fisici possono finalmente osservare e manipolare.
La trappola di luce
Il gruppo cinese ha scelto la strada più difficile. Al posto della trappola magnetica con cui erano stati ottenuti i record precedenti, ha costruito una gabbia fatta interamente di luce, con fasci laser focalizzati. Dopo un primo raffreddamento laser, l’intensità della trappola è stata abbassata per lasciar sfuggire gli atomi più energetici, un po’ come il caffè che si raffredda perché il vapore porta via le molecole più calde. Quelli rimasti hanno formato un condensato di Bose-Einstein, lo stato in cui l’intera nube si comporta come un’unica onda. Nell’ultima fase il gas è stato trasferito in una trappola più ampia, la cui presa è stata poi allentata per ridurre al minimo l’energia con cui gli atomi si espandono una volta liberati.
I vantaggi della microgravità
La luce, rispetto ai magneti, offre vantaggi concreti. Risente meno delle interferenze magnetiche, si controlla con più precisione in orbita e lascia più accessi liberi per altri fasci laser, il che rende l’apparato adatto a una gamma più ampia di esperimenti di simulazione quantistica. Lo spazio ha fatto il resto: sulla Terra la gravità trascina gli atomi verso il basso e costringe a tenerli in una morsa stretta, mentre in microgravità basta un confinamento molto più debole. Una presa più leggera significa temperature più basse e tempi di osservazione più lunghi.
Un progetto lungo oltre dieci anni
Il lavoro viene da lontano. Gli studi di fattibilità sono cominciati nel 2011 e l’apparato è salito in orbita nel 2022 insieme a Mengtian, il modulo laboratorio della stazione. Il progetto è stato organizzato dal Centro di tecnologia e ingegneria per l’utilizzo dello spazio dell’Accademia Cinese delle Scienze e realizzato con l’Università di Pechino e l’Istituto di ottica e meccanica fine di Shanghai.
La sfida ingegneristica
La sfida più dura è stata ingegneristica. Un sistema che a terra occupa una ventina di metri cubi e pesa circa dieci tonnellate è stato compresso in un armadio sperimentale da 0,7 metri cubi e mezza tonnellata. Per riuscirci i tecnici hanno dovuto risolvere i problemi dell’ultra-alto vuoto, dei laser in fibra ad alta potenza, della stabilità della frequenza laser nel lungo periodo e dell’integrazione ottica di altissima precisione.
Sette secondi per osservare la materia
Per i fisici il tempo conta quasi quanto il numero. Secondo i dati diffusi dal team, in un laboratorio a terra una nube di atomi ultrafreddi resta osservabile per circa cinque centesimi di secondo prima di cadere e disperdersi. Sulla Stazione Spaziale Internazionale si arriva a un secondo, sulla stazione cinese ora a sette. “Più a lungo riusciamo a osservare, più cresce la probabilità di scoprire fenomeni fisici nuovi e più deboli”, ha detto Xiong Wei, tra i primi autori dello studio.
Le applicazioni della materia ultrafredda
Il motivo sta nella natura ondulatoria della materia. Più un atomo è freddo, più si allunga la sua lunghezza d’onda di de Broglie, fino a raggiungere scale osservabili: gli effetti quantistici, di solito nascosti, diventano visibili e controllabili. Su questo principio si reggono gli orologi atomici di precisione, gli interferometri atomici, i sistemi di misura inerziale e alcune strade del calcolo quantistico. Chen Weibiao, ricercatore dell’istituto di Shanghai, guarda già ai prossimi passi. La piattaforma potrà servire a studiare le transizioni di fase, le dinamiche fuori equilibrio e le correlazioni quantistiche tra molti corpi a temperature estreme, ma anche a simulare l’universo primordiale e a cercare tracce di materia oscura ultraleggera.
Un interferometro atomico in orbita
Nello studio su Science gli autori indicano un obiettivo ancora più ambizioso: un interferometro atomico in orbita capace di mettere alla prova il principio di equivalenza, cioè l’idea che tutti i corpi cadano con la stessa accelerazione indipendentemente dalla loro composizione. Pechino, intanto, apre le porte del suo laboratorio orbitale. Lyu Congmin, progettista capo del sistema di applicazioni spaziali del programma con equipaggio, ha invitato gli scienziati di tutto il mondo a proporre esperimenti da condurre sull’armadio per la fisica degli atomi ultrafreddi di Tiangong.
