Il gas quantico va sotto lo zero assoluto
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La temperatura in un gas può arrivare sotto lo zero assoluto grazie a una stranezza della fisica quantistica.
Può sembrare meno probabile del congelamento dell’inferno, ma i fisici hanno creato un gas atomico con una temperatura sotto lo zero assoluto per la prima volta1. La loro tecnica apre la porta alla generazione di materiali negativi-Kelvin e nuovi dispositivi quantistici, e potrebbe anche aiutare a risolvere un mistero cosmologico.
Lord Kelvin ha definito la scala della temperatura assoluta a metà del 1800 in modo tale che nulla potesse essere più freddo dello zero assoluto. I fisici hanno poi capito che la temperatura assoluta di un gas è legata all’energia media delle sue particelle. Lo zero assoluto corrisponde allo stato teorico in cui le particelle non hanno alcuna energia, e temperature più alte corrispondono a energie medie più alte.
Tuttavia, dagli anni ’50, i fisici che lavoravano con sistemi più esotici cominciarono a capire che questo non è sempre vero: Tecnicamente, si legge la temperatura di un sistema da un grafico che traccia le probabilità che le sue particelle si trovino con certe energie. Normalmente, la maggior parte delle particelle ha energie medie o quasi medie, con solo alcune particelle che sfrecciano a energie più alte. In teoria, se la situazione è invertita, con più particelle che hanno energie più alte, piuttosto che più basse, la trama si capovolgerebbe e il segno della temperatura cambierebbe da una temperatura assoluta positiva a una negativa, spiega Ulrich Schneider, un fisico dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco, Germania.
Picchi e valli
Schneider e i suoi colleghi hanno raggiunto tali temperature sub-assolute-zero con un gas quantico ultrafreddo composto da atomi di potassio. Usando laser e campi magnetici, hanno mantenuto i singoli atomi in una disposizione a reticolo. A temperature positive, gli atomi si respingono, rendendo la configurazione stabile. Il team ha poi regolato rapidamente i campi magnetici, facendo sì che gli atomi si attraessero piuttosto che respingersi a vicenda. “Questo sposta improvvisamente gli atomi dal loro stato più stabile, a bassa energia, allo stato di massima energia possibile, prima che possano reagire”, dice Schneider. “È come camminare in una valle e poi ritrovarsi istantaneamente sulla cima della montagna”.”
A temperature positive, una tale inversione sarebbe instabile e gli atomi collasserebbero verso l’interno. Ma il team ha anche regolato il campo laser di intrappolamento per renderlo energeticamente più favorevole per gli atomi di rimanere nelle loro posizioni. Questo risultato, descritto oggi su Science1, segna la transizione del gas da poco sopra lo zero assoluto a pochi miliardesimi di Kelvin sotto lo zero assoluto.
Wolfgang Ketterle, fisico e premio Nobel al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, che ha precedentemente dimostrato temperature assolute negative in un sistema magnetico2, chiama l’ultimo lavoro un “tour de force sperimentale”. Gli stati esotici ad alta energia che sono difficili da generare in laboratorio a temperature positive diventano stabili a temperature assolute negative – “come se si potesse appoggiare una piramide sulla sua testa e non preoccuparsi che si rovesci”, nota – e quindi tali tecniche possono permettere di studiare questi stati in dettaglio. “Questo può essere un modo per creare nuove forme di materia in laboratorio”, aggiunge Ketterle.
Se costruito, tali sistemi si comporterebbero in modi strani, dice Achim Rosch, un fisico teorico presso l’Università di Colonia in Germania, che ha proposto la tecnica utilizzata da Schneider e il suo team3. Per esempio, Rosch e i suoi colleghi hanno calcolato che mentre le nuvole di atomi sarebbero normalmente tirate verso il basso dalla gravità, se una parte della nuvola è a una temperatura assoluta negativa, alcuni atomi si muoveranno verso l’alto, apparentemente sfidando la gravità4.
Un’altra peculiarità del gas sub-assoluto-zero è che imita “l’energia oscura”, la forza misteriosa che spinge l’universo a espandersi a un ritmo sempre più veloce contro la forza di gravità. Schneider nota che anche gli atomi attraenti nel gas prodotto dal team vogliono collassare verso l’interno, ma non lo fanno perché la temperatura assoluta negativa li stabilizza. “È interessante che questa strana caratteristica salti fuori nell’Universo e anche in laboratorio”, dice. “Questo potrebbe essere qualcosa che i cosmologi dovrebbero guardare più da vicino”.