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11 Giugno 2020
16:10

Osservato il “quinto” stato della materia in un esperimento record sulla ISS

Grazie allo strumento Cold Atom Laboratory installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), ricercatori americani sono riusciti a creare il “quinto” stato della materia, il cosiddetto condensato di Bose-Einstein. Si tratta di una nuvola di particelle chiamate bosoni, raffreddate a tal punto da comportarsi come un singolo, “superatomo”.
A cura di Andrea Centini
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Un flusso di atomi. Credit: NASA
Un flusso di atomi. Credit: NASA

Circa 2 anni fa, alla fine di luglio 2018, la NASA annunciò di aver raggiunto un altro traguardo storico per la ricerca nello spazio. Gli scienziati, infatti, riuscirono a creare un cosiddetto condensato di Bose-Einstein (BEC) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), un particolare stato della materia che si verifica quando particelle chiamate bosoni vengono raffreddate a tal punto da condensarsi, e iniziano a manifestare le proprietà della fisica quantistica (tipiche della scala microscopica) a livello macroscopico. In parole semplici, questo fenomeno (ottenuto con atomi di rubidio) rende osservabili le caratteristiche delle singole particelle su una scala più ampia grazie al processo di condensazione, che trasforma l'insieme dei bosoni in una sorta di “superatomo”.

Come scriveva la NASA, la natura ondulatoria degli atomi “è in genere osservabile solo su scale microscopiche”, ma i BEC “rendono macroscopico questo fenomeno”, pertanto rendono più facile per gli scienziati studiarne le complesse interazioni e caratteristiche. I primi condensati di Bose-Einstein furono realizzati presso il laboratorio NIST-JILA dell'Università del Colorado alla metà degli anni '90, ma erano stati già teorizzati 70 anni prima, come dimostrano gli studi del fisico indiano Satyendra Nath Bose e del collega Albert Einstein. Il nome di questo peculiare stato della materia, considerato il “quinto” dopo i classici solido, il liquido, il gassoso e il plasma, deriva proprio dalle ricerche sulla fisica quantistica della coppia di scienziati.

Per ottenere un BEC, come indicato, è necessario raffreddare intensamente i bosoni, portandoli a un valore prossimo allo zero assoluto: sulla ISS nel 2018 furono portati a 100 nano Kelvin sopra lo zero assoluto, mentre nei nuovi esperimenti, sono stati portati a meno di un nano Kelvin sullo zero assoluto, rallentandoli ulteriormente e rendendo ancor più chiari i fenomeni da studiare. Se fosse possibile portarli allo zero assoluto (- 273,15 °C), del resto, i bosoni si arresterebbero e non se ne potrebbero studiare le caratteristiche. Per mantenere stabili queste nuvole di bosoni gli scienziati devono usare laser, trappole magnetiche e altre tecnologie sofisticatissime, le cui capacità sono tuttavia alterate dalla forza di gravità. È per questo che il Jet Propulsion Laboratory della NASA ha costruito e inviato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale lo strumento Cold Atom Laboratory, che ha permesso di effettuare i delicatissimi esperimenti in microgravità e dunque in condizioni ideali per studiare il “quinto stato della materia”, senza i problemi legati alla gravità terrestre.

Sulla Terra la nuvola dei condensati di Bose-Einstein si disperde in pochi millisecondi proprio a causa della gravità, mentre nello spazio, impiega un secondo al di sotto del nano Kelvin sullo zero assoluto e diversi secondi a temperature leggermente più elevate, permettendo ai ricercatori di fare “con calma” tutte le rilevazioni necessarie per le analisi quantistiche. I dettagli dell'affascinante ricerca “Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab” sono stati pubblicati sull'autorevole rivista scientifica Nature.

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