Qual è la cosa più fredda del mondo? - Lina Marieth Hoyos

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I materiali più freddi del mondo non si trovano in Antartide, né in cima all'Everest. Sono nei laboratori di fisica: nubi di gas tenute a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto. Lina Marieth Hoyos spiega come temperature così basse permettano agli scienziati di capire il funzionamento della materia e come consentano agli ingegneri di creare strumenti estremamente sensibili che ci dicono qualcosa di più sull'universo.

Lezione di Lina Marieth Hoyos, animazioni di Adriatic Animation.

I materiali più freddi del mondo
non si trovano in Antartide.

Non sono in cima all'Everest,

né sepolti in un ghiacciaio.

Sono nei laboratori di fisica:

nubi di gas tenute a qualche frazione
di grado sopra lo zero assoluto.

È 395 milioni di volte più freddo
dei nostri frigoriferi,

100 milioni di volte più freddo
dell'azoto liquido

e 4 milioni di volte
più freddo dello spazio.

Tali condizioni permettono agli scienziati
di capire il funzionamento della materia

e agli ingegneri di creare
strumenti estremamente sensibili

che possono dirci di più su molte cose,

dalla nostra posizione sul pianeta

a che cosa sta succedendo
nei più remoti angoli dell'universo.

Come facciamo a produrre
temperature così estreme?

In pratica, rallentando
le particelle in movimento.

Quando si parla di temperatura,
in realtà si parla di movimento.

Gli atomi che compongono i solidi,

i liquidi

e i gas

si muovono in continuazione.

Quando gli atomi si muovono velocemente,
percepiamo quella materia come calda.

Quando si muovono lentamente,
la percepiamo come fredda.

Per rendere freddo un oggetto
o un gas caldo nella vita quotidiana,

lo mettiamo in un ambiente
più freddo, come il frigorifero.

Parte del movimento atomico
dell'oggetto caldo

è trasferito all'area circostante

e si raffredda.

Ma c'è un limite:

anche lo spazio è troppo caldo
per creare temperature bassissime.

Così gli scienziati hanno trovato un modo
per rallentare direttamente gli atomi,

cioè con un raggio laser.

Nella maggior parte dei casi,

l'energia del raggio laser
riscalda le cose.

Ma utilizzato in modo molto preciso,

il momento del raggio può fermare
gli atomi in movimento, raffreddandoli.

Questo è ciò che succede in un dispositivo
chiamato trappola magneto-ottica.

Gli atomi vengono immessi
in una camera a vuoto

e il campo magnetico
li attira verso il centro.

Un raggio laser indirizzato
al centro della camera

viene sintonizzato sulla giusta frequenza,

cosicché un atomo diretto lì assorbirà
un fotone del raggio e rallenterà.

L'effetto di rallentamento deriva
dal passaggio del momento

dall'atomo al fotone.

Un totale di sei raggi,
posizionati perpendicolarmente,

garantiscono di poter intercettare atomi
che si muovono in tutte le direzioni.

Al centro, dove i raggi si incrociano,

gli atomi si muovono lentamente,
come intrappolati in un liquido denso,

un effetto descritto dai suoi inventori
come "melassa ottica".

Una trappola magneto-ottica come questa

può raffreddare gli atomi
fino a pochi microkelvin,

circa -273 gradi Celsius.

Questa tecnica fu elaborata negli anni '80

e gli scienziati che vi contribuirono

vinsero nel 1997 il premio Nobel
per la fisica grazie a questa scoperta.

Oggi il raffreddamento laser è in grado
di raggiungere temperature più basse.

Ma perché si vogliono raffreddare
gli atomi così tanto?

Prima di tutto, gli atomi freddi
possono essere buoni rilevatori.

Con così poca energia,

sono incredibilmente sensibili
alle fluttuazioni nell'ambiente.

Sono usati in dispositivi che cercano
giacimenti di petrolio e minerali

e fungono anche da orologi atomici
estremamente precisi,

come quelli utilizzati nei GPS.

In secondo luogo, gli atomi freddi
detengono un enorme potenziale

per esplorare i confini della fisica.

La loro eccezionale sensibilità
li rende perfetti

per individuare le onde gravitazionali
nei futuri rilevatori spaziali.

Sono utili anche per lo studio
di fenomeni atomici e subatomici,

che richiedono la misurazione di minuscole
oscillazioni nell'energia degli atomi.

Queste sono sovrastate
a temperature normali,

quando gli atomi sfrecciano
a centinaia di metri al secondo.

Il raffreddamento laser può rallentare
gli atomi a pochi centimetri al secondo,

velocità che rende evidente il movimento
dovuto agli effetti del quantum atomico.

Gli atomi ultrafreddi hanno già permesso
agli scienziati di studiare fenomeni

come la condensazione di Bose-Einstein,

in cui gli atomi sono raffreddati
quasi allo zero assoluto

e diventano
un nuovo raro stato della materia.

Finché i ricercatori continueranno
a cercare di capire le leggi della fisica

e svelare i misteri dell'universo,

lo faranno con l'aiuto
dei suoi atomi più freddi.

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