Utilizzando il Cold Atom Lab della Nasa, il primo laboratorio di fisica quantistica sulla Stazione Spaziale Internazionale (Iss), un team di ricercatori ha creato piccolissime bolle ultrafredde e osservato il loro comportamento in microgravità.
Le sfere ultrasottili sono state ottenute prelevando poche migliaia di atomi da uno dei materiali più estremi in natura: un gas raffreddato quasi allo zero assoluto, ossia 273 gradi Celsius sotto lo zero, la temperatura più bassa che la materia possa raggiungere. Le bolle composte da gas ultrafreddo sono realizzabili nell’ambiente di microgravità della Iss, ma non sulla Terra dove ogni tentativo di modellarle fallisce a causa della gravità.
La ricerca, i cui risultati sono pubblicati su Nature, permetterà di compiere notevoli passi avanti nella comprensione dei sistemi quantistici e apre a nuove sperimentazioni in microgravità orbitale.

Un diametro di circa 1 millimetro e uno spessore di 1 micron, cioè un millesimo di millimetro: sono le piccole dimensioni delle straordinarie bolle ultrafredde realizzate sfruttando i campi magnetici all’interno del Cold Atom Lab. Questo mini laboratorio di fisica quantistica sulla Iss ha le dimensioni di un frigo portatile ed è gestito in remoto dal Jet Propulsion Laboratory (Jpl) di Nasa.

«In natura non esiste nulla di così freddo come i gas atomici prodotti nel Cold Atom Lab — afferma David Aveline, tra gli autori dell’articolo e membro del Jpl — Quindi partiamo da questo gas unico e studiamo come si comporta quando viene modellato in geometrie fondamentalmente diverse. E, storicamente, quando un materiale viene manipolato in questo modo, può emergere una fisica molto interessante, oltre a nuove applicazioni».

Gli esperimenti realizzati nel Cold Atom Lab consentono di eliminare gli effetti della gravità permettendo lo studio di come altre forze dominanti, per esempio la tensione superficiale o la viscosità nei liquidi, agiscono sulla materia nei sui diversi stati.
Ora, il successo ottenuto con la realizzazione delle bolle ultrafredde, potrebbe rappresentare l’avvio di una nuova frontiera per la ricerca fisica in microgravità.


Nuvole ultrafredde di atomi vengono manipolate in sfere cave all’interno del Cold Atom Lab della NASA a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

Prima il team dovrà, però, riuscire a portare il gas ultrafreddo che compone le bolle al particolare stato della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (Bec), ossia un quinto stato distinto da quello gassoso, liquido, solido e plasmatico. In un Bec gli scienziati possono indagare le proprietà quantistiche degli atomi a una scala visibile a occhio nudo, potendo ad esempio osservare come gli atomi e le particelle si comportano a volte come oggetti solidi e a volte come onde – una proprietà quantistica chiamata ‘dualità onda-particella’.

«Alcuni lavori teorici suggeriscono che se lavoriamo con una di queste bolle allo stato Bec, potremmo essere in grado di formare come dei piccoli vortici nel materiale quantistico —  afferma Nathan Lundblad, fisico dell Bates College di Lewiston e coautore del nuovo studio — Questo è un esempio di configurazione fisica che potrebbe aiutarci a capire meglio le proprietà dei Bec e a comprendere meglio la natura della materia quantistica».

Dalle future ricerche realizzate nel Cold Atom Lab, quindi le indagini quantistiche condotte in orbita terrestre, potrebbero scaturire miglioramenti nei sistemi di navigazione dei veicoli spaziali e nei sensori per lo studio della Terra e di altri corpi del Sistema Solare.

Immagine in evidenza: illustrazione artistica delle bolle realizzate nel Cold Atom Lab; i laser, anch’essi raffigurati, vengono utilizzati per raffreddare gli atomi, mentre un chip atomico, illustrato in grigio, genera campi magnetici per manipolarne la forma, in combinazione con le onde radio.Crediti immagine: Nasa/Jpl-Caltech