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Registrazione della temperatura più bassa creata artificialmente

28.09.2021

I fisici tedeschi sono riusciti a ottenere la temperatura più bassa registrata nella storia della scienza, appena 38 picokelvin, 38 trilionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Il loro esperimento ha utilizzato il processo di caduta libera di una nuvola di gas quantistica e l'attivazione e disattivazione del campo magnetico per rallentare gli atomi del gas quasi fino all'arresto completo del loro movimento termico.

Il punto di zero assoluto, -273.15 gradi Celsius, è la temperatura più bassa che si può ottenere secondo tutti i canoni della termodinamica. A tale temperatura, il movimento termico degli atomi si interrompe completamente e questi atomi cessano di avere energia cinetica, il che dovrebbe portare alla comparsa di effetti molto strani. Tuttavia, raggiungere il punto di zero assoluto e inferiore è irraggiungibile in pratica a causa del fatto che è fisicamente impossibile prendere assolutamente tutta la loro energia cinetica dagli atomi.

Tuttavia, gli scienziati cercano costantemente di avvicinarsi al punto dello zero assoluto, alcuni anni fa gli scienziati di Harvard hanno eseguito con successo la reazione chimica "più fredda" a una temperatura di 500 nanokelvin, 500 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Qualche tempo dopo, gli esperimenti sono stati condotti al Cold Atom Lab a bordo della Stazione Spaziale Internazionale ad una temperatura di 100 nanokelvin.

Tuttavia, le temperature sopra menzionate sono piuttosto elevate rispetto all'ultimo risultato degli scienziati tedeschi. E per ottenere quella temperatura, gli scienziati hanno utilizzato una nuvola di 100 atomi di rubidio intrappolati in una trappola magnetica all'interno di una camera a vuoto. In primo luogo, una nuvola di atomi è stata raffreddata a una temperatura alla quale si è formato un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, i cui atomi hanno tutti una relazione quantistica. A causa di questa relazione, l'intera nuvola di condensato si comporta come un grande atomo, il che rende possibile vedere la manifestazione di effetti quantistici su scala macro.

Il condensato di Bose-Einstein si è formato ad una temperatura di due miliardesimi sopra lo zero assoluto, ma non era ancora abbastanza freddo. L'esperimento è stato condotto in una speciale torre a caduta di Brema, che dispone di una camera a vuoto con trappole magnetiche, alta 120 metri, in cui vengono eseguiti esperimenti di caduta libera. E mentre la nuvola di condensato di Bose-Einstein cadeva liberamente sotto l'influenza della gravità, gli scienziati attivavano e disattivavano il magnetico rigorosamente in momenti precalcolati.

Quando il campo magnetico è stato attivato, la nuvola di condensa di Bose-Einstein si è leggermente contratta. Quando il campo magnetico è stato disattivato, la nuvola di condensa si è espansa. I momenti di accensione e spegnimento del campo magnetico erano sincronizzati in modo tale che l'effetto da questo esercitato portasse ad un arresto quasi completo del movimento degli atomi condensati, il che significa un'effettiva diminuzione della temperatura.

Durante un tale esperimento, gli scienziati sono riusciti a raggiungere e mantenere una temperatura bassa record per 2 secondi. Tuttavia, i calcoli dei modelli matematici creati hanno mostrato che nello spazio in condizioni di microgravità o assenza di gravità a bordo del satellite, ad esempio, una tale temperatura può durare 17 secondi, il che sarà sufficiente per condurre esperimenti molto complessi.

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