Una vista ravvicinata all'interno della camera a vuoto principale dell'esperimento sulle molecole di NaK. Nel mezzo, quattro fili di rame ad alta tensione sono instradati verso una cella di vetro ad altissimo vuoto dove sono state prodotte le molecole polari ultrafredde. Credito:Società Max Planck
Quando un gas altamente diluito viene raffreddato a temperature estremamente basse, vengono rivelate proprietà bizzarre. Pertanto, alcuni gas formano un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, un tipo di materia in cui tutti gli atomi si muovono all'unisono. Un altro esempio è la supersolidità:uno stato in cui la materia si comporta come un fluido privo di attrito con una struttura periodica. I fisici si aspettano di trovare forme particolarmente diverse e rivelatrici di materia quantistica quando si raffreddano gas costituiti da molecole polari. Sono caratterizzati da una distribuzione della carica elettrica non uniforme. A differenza degli atomi liberi, possono ruotare, vibrare e attrarsi o respingersi a vicenda. Tuttavia, è difficile raffreddare i gas molecolari a temperature ultra-basse. Un team di ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) di Garching ha ora trovato un modo semplice ed efficace per superare questo ostacolo. Si basa su un campo rotante di microonde.
Un processo come in una tazza di caffè
Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un gas di molecole di sodio-potassio (NaK) che sono state confinate in una trappola ottica dalla luce laser. Per raffreddare il gas, il team si è affidato a un metodo che si è dimostrato da tempo efficace per raffreddare gli atomi non legati:il cosiddetto raffreddamento evaporativo. "Questo metodo funziona in modo simile al processo familiare, che fa raffreddare una tazza di caffè caldo", afferma il dottor Xin-Yu Luo, capo del Laboratorio per le molecole polari ultrafredde nella divisione dei sistemi quantistici a molti corpi presso l'MPQ :Nel caffè, le molecole d'acqua si scontrano costantemente scambiando così parti della loro energia cinetica. Se due molecole particolarmente energetiche si scontrano, una di esse può diventare abbastanza veloce da sfuggire al caffè:fuoriesce dalla tazza. L'altra molecola rimane con meno energia. È così che il caffè si raffredda gradualmente. Allo stesso modo, un gas può essere raffreddato fino a pochi nanokelvin, miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto a meno 273,15 gradi Celsius.
Tuttavia:"Se il gas è costituito da molecole, queste devono essere ulteriormente stabilizzate a temperature molto basse", afferma Luo. Il motivo risiede nella struttura molto più complessa delle molecole rispetto agli atomi non legati. Pertanto, controllare i loro movimenti durante le collisioni è difficile. Le molecole possono aderire insieme durante le collisioni. Inoltre, "le molecole polari si comportano come minuscoli magneti che possono scattare insieme, nel qual caso vengono persi per l'esperimento", spiega il dottor Andreas Schindewolf, che conduce la ricerca nel team di Xin-Yu Luo. Queste difficoltà si sono rivelate un enorme ostacolo alla ricerca negli ultimi anni.
Immagine del sistema laser al sodio che genera la luce gialla utilizzata per il raffreddamento laser e l'imaging degli atomi di sodio. Credito:Società Max Planck
Le microonde tengono separate le molecole
Per superare questo ostacolo, i ricercatori di Garching si sono affidati a un trucco:l'applicazione aggiuntiva di un campo elettromagnetico appositamente preparato che funge da scudo energetico per le molecole, impedendo loro di attaccarsi. "Abbiamo creato questo scudo energetico utilizzando un forte campo a microonde rotante", spiega Andreas Schindewolf. "Il campo fa sì che le molecole ruotino a una frequenza più alta". Se due molecole si avvicinano troppo l'una all'altra, possono quindi scambiarsi energia cinetica, ma allo stesso tempo si allineano in modo tale da respingersi e separarsi rapidamente di nuovo.
Per creare un campo a microonde con le proprietà richieste, i ricercatori hanno posizionato un'antenna elicoidale sotto la trappola ottica contenente il gas delle molecole di sodio e potassio. "La velocità con cui le molecole si sono intrecciate è stata quindi ridotta di più di un ordine di grandezza", riferisce Xin-Yu Luo. Inoltre, sotto l'influenza del campo, si è sviluppata un'interazione elettrica forte ea lungo raggio tra le molecole. "Di conseguenza, si sono scontrati molto più frequentemente che senza il campo a microonde rotante, in media circa 500 volte per molecola", afferma il fisico. "Questo è stato sufficiente per raffreddare il gas vicino allo zero assoluto attraverso l'evaporazione."
Illustrazione artistica del congelatore a microonde nanokelvin per molecole. Credito:Società Max Planck
Un nuovo record di bassa temperatura
Dopo appena un terzo di secondo, la temperatura ha raggiunto circa 21 nanokelvin, ben al di sotto della "temperatura di Fermi" critica. Segna il limite al di sotto del quale gli effetti quantistici dominano il comportamento di un gas e iniziano a sorgere fenomeni bizzarri. "La temperatura che abbiamo raggiunto è la più bassa finora in un gas di molecole polari", è lieto di dire Luo. E il ricercatore Max Planck ritiene che possano raggiungere temperature anche molto più basse attraverso perfezionamenti tecnici all'impostazione sperimentale.
I risultati potrebbero avere conseguenze di vasta portata per la ricerca sugli effetti quantistici e sulla materia quantistica. "Dato che la nuova tecnica di raffreddamento è così semplice che può anche essere integrata nella maggior parte delle configurazioni sperimentali con molecole polari ultrafredde, il metodo dovrebbe presto trovare un'applicazione diffusa e contribuire a parecchie nuove scoperte", afferma il Prof. Dr. Immanuel Bloch, Direttore della Divisione MPQ Quantum Many-Body Systems. "Il raffreddamento assistito da microonde non solo apre una serie di nuove indagini su stati peculiari della materia come superfluidi e supersolidi", afferma Bloch. "Inoltre, potrebbe essere utile nelle tecnologie quantistiche". Ad esempio, nei computer quantistici, dove i dati potrebbero forse essere archiviati da molecole ultrafredde. "Questi sono tempi davvero entusiasmanti per i ricercatori che lavorano su molecole polari ultrafredde", afferma Xin-Yu Luo. + Esplora ulteriormente
