Prodotte all'interno del Cold Atom Lab della NASA, le bolle ultrafredde offrono nuove opportunità per sperimentare uno stato esotico della materia.

Sin dai tempi del programma Apollo della NASA, gli astronauti hanno documentato (e contestato) come i liquidi si comportano in modo diverso in microgravità rispetto a quanto fanno sulla Terra, fondendosi in sfere galleggianti invece di goccioline pesanti sul fondo. Ora, i ricercatori hanno dimostrato questo effetto con un materiale molto più esotico:il gas si è raffreddato quasi fino allo zero assoluto (meno 459 gradi Fahrenheit o meno 273 gradi Celsius), la temperatura più bassa che la materia può raggiungere.

Utilizzando il Cold Atom Lab della NASA, la prima struttura di fisica quantistica a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, i ricercatori hanno prelevato campioni di atomi raffreddati fino a un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto e li hanno modellati in sfere cave estremamente sottili. Il gas freddo inizia in una piccola massa rotonda, come un tuorlo d'uovo, e viene scolpito in qualcosa di più simile a un guscio d'uovo sottile. Sulla Terra, tentativi simili falliscono:gli atomi si accumulano verso il basso, formando qualcosa di più simile a una lente a contatto che a una bolla.

La pietra miliare, descritta in un nuovo articolo pubblicato online mercoledì 18 maggio sulla rivista Nature —è possibile solo nell'ambiente di microgravità sulla stazione spaziale.

Le bolle ultrafredde potrebbero infine essere utilizzate in nuovi tipi di esperimenti con un materiale ancora più esotico:un quinto stato della materia (distinto da gas, liquidi, solidi e plasmi) chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC). In un BEC, gli scienziati possono osservare le proprietà quantistiche degli atomi su una scala visibile ad occhio nudo. Ad esempio, atomi e particelle a volte si comportano come oggetti solidi e talvolta come onde, una proprietà quantistica chiamata "dualità onda-particella".

Il lavoro non richiede l'assistenza dell'astronauta. Le bolle ultrafredde sono realizzate all'interno della camera a vuoto ermeticamente sigillata di Cold Atom Lab utilizzando campi magnetici per manipolare delicatamente il gas in forme diverse. E il laboratorio stesso, che ha le dimensioni di un minifrigo, è gestito in remoto da JPL.

Le bolle più grandi hanno un diametro di circa 1 millimetro e uno spessore di 1 micron (che è un millesimo di millimetro, o 0,00004 pollici). Sono così sottili e diluiti che solo migliaia di atomi li compongono. In confronto, un millimetro cubo d'aria sulla Terra contiene circa un miliardo di trilioni di molecole.

"Queste non sono come le normali bolle di sapone", ha affermato David Aveline, autore principale del nuovo lavoro e membro del team scientifico del Cold Atom Lab presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California. "Niente di ciò che sappiamo in natura diventa freddo quanto i gas atomici prodotti in Cold Atom Lab. Quindi iniziamo con questo gas davvero unico e studiamo come si comporta quando viene modellato in geometrie fondamentalmente diverse. E, storicamente, quando un materiale viene manipolato in questo modo possono emergere una fisica molto interessante, oltre a nuove applicazioni."

Perché è "importante"

Esporre i materiali a diverse condizioni fisiche è fondamentale per comprenderli. Spesso è anche il primo passo per trovare applicazioni pratiche per quei materiali.

Condurre questi tipi di esperimenti sulla stazione spaziale utilizzando il Cold Atom Lab consente agli scienziati di rimuovere gli effetti della gravità, che spesso è la forza dominante che incide sul movimento e sul comportamento dei fluidi. In questo modo, gli scienziati possono comprendere meglio gli altri fattori in gioco, come la tensione superficiale o la viscosità di un liquido.

Ora che gli scienziati hanno creato le bolle ultrafredde, il loro prossimo passo sarà trasferire il gas ultrafreddo che compone le bolle allo stato BEC e vedere come si comporta.

"Alcuni lavori teorici suggeriscono che se lavoriamo con una di queste bolle che si trova nello stato BEC, potremmo essere in grado di formare vortici, in pratica piccoli vortici, nel materiale quantistico", ha affermato Nathan Lundblad, professore di fisica al Bates College di Lewiston, nel Maine, e il principale investigatore del nuovo studio. "Questo è un esempio di una configurazione fisica che potrebbe aiutarci a comprendere meglio le proprietà BEC e ottenere maggiori informazioni sulla natura della materia quantistica."

Il campo della scienza quantistica ha portato allo sviluppo di moderne tecnologie come transistor e laser. Le indagini quantistiche condotte nell'orbita terrestre potrebbero portare a miglioramenti nei sistemi di navigazione dei veicoli spaziali e nei sensori per lo studio della Terra e di altri corpi del sistema solare. Gli impianti di atomi ultrafreddi sono in funzione sulla Terra da decenni; tuttavia, nello spazio, i ricercatori possono studiare atomi ultrafreddi e BEC in nuovi modi perché gli effetti della gravità sono ridotti. Ciò consente ai ricercatori di raggiungere regolarmente temperature più fredde e osservare i fenomeni più a lungo di quanto possano fare sulla Terra.

"Il nostro obiettivo principale con Cold Atom Lab è la ricerca fondamentale:vogliamo utilizzare l'ambiente spaziale unico della stazione spaziale per esplorare la natura quantistica della materia", ha affermato Jason Williams, scienziato del progetto per Cold Atom Lab presso JPL. "Lo studio di atomi ultrafreddi in nuove geometrie ne è un perfetto esempio". + Esplora ulteriormente

Un caloroso benvenuto alla stazione spaziale per un nuovo hardware fantastico