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FISICA/ Atomi ultrafreddi in cima alla “collina” provano il brivido della temperatura negativa

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Come già detto, la realizzazione di un sistema a temperatura negativa non è di per sé una novità. Ciò che è stato fatto per la prima volta nell'esperimento di Schneider e Bloch è stato osservare una temperatura negativa per il moto degli atomi. Questo è stato possibile "posizionando" degli atomi ultrafreddi su un massimo di energia potenziale invece che in un minimo: si può pensare a delle palline posizionate sulla cima di una collina, dove la loro altezza è massima e si ha un equilibrio instabile, piuttosto che sul fondo di una valle, dove la loro altezza è minima. Utilizzando un "reticolo ottico", cioè sottoponendo le particelle a un potenziale periodico realizzato con la luce laser, Schneider e Bloch hanno fatto in modo che questa configurazione, con gli atomi su un massimo di energia potenziale, fosse una situazione "metastabile": gli atomi, invece di rotolare giù per il pendio della collina, rimangono in questo stato di energia massima, che corrisponde, per quanto si diceva sopra, a una temperatura negativa. 

Qual è stato il contributo delle ricerche italiane per il raggiungimento di questo risultato? 
Il contributo delle ricerche italiane, svolte presso il Cnr e il Lens di Firenze, è stato molto importante. Difatti, nel loro esperimento, Schneider e Bloch fanno uso di un condensato di Bose- Einstein di potassio-39, che è stato dimostrato per la prima volta a Firenze nel 2007. Un elemento fondamentale del lavoro del gruppo tedesco è stata la possibilità di controllare le interazioni fra gli atomi, cambiandole da repulsive ad attrattive, in modo tale da rendere stabile lo stato a temperatura negativa. Anche questa possibilità era stata dimostrata dalla nostra equipe sperimentale al Lens già sei anni fa. 

Quali potranno essere le conseguenze e gli sviluppi applicativi di tali risultati? 
L'osservazione di una temperatura negativa per il moto degli atomi non ha conseguenze applicative dirette. Si tratta principalmente della conferma sperimentale di una previsione teorica, che ci appare controintuitiva solo perché è lontana dalla percezione comune che abbiamo della temperatura. L'importanza di questa osservazione risiede principalmente nella possibilità di utilizzare le tecniche sviluppate in questo lavoro per nuovi studi in cui gas ultrafreddi di atomi possono essere utilizzati per studiare in maniera controllata effetti di fisica fondamentale. Nel nostro ambito si parla di "simulazione quantistica", cioè la possibilità di controllare lo stato degli atomi come se questi fossero dei "mattoncini" con i quali possiamo simulare il comportamento di altri sistemi più complessi (ad esempio, la fisica dei superconduttori ad alta temperatura o le condizioni estreme che si realizzano in una stella di neutroni) e riprodurre così in un laboratorio effetti che non possono essere simulati da un computer classico. 

Qual è la vostra linea di ricerca sui condensati di Bose-Einstein e sugli atomi ultrafreddi? 



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