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

- int. Massimo Inguscio

Provoca sempre incredulità parlare di fenomeni che contrastano le condizioni fisiche alle quali siamo abituati. Può un gas essere più freddo dello 0 assoluto? Ne parla MASSIMO INGUSCIO

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Fa sempre un effetto di incredulità sentir parlare di fenomeni naturali che contrastano con le condizioni alle quali siamo abituati e che riteniamo immutabili. È la reazione che chiunque abbia studiato anche solo un po’ di fisica prova alla notizia che in qualche laboratorio si sono raggiunte condizioni di temperatura assoluta negativa, cioè inferiore allo zero assoluto. La notizia è circolata qualche settimana fa e viene dai laboratori dell’Università Ludwig Maximilians di Monaco di Baviera e dell’Istituto Max Planck di ottica quantistica, dove Ulrich Schneider e Immanuel Bloch hanno realizzato un gas in grado di raggiungere temperature di un miliardesimo sotto lo zero assoluto. Ne abbiamo parlato col professor Massimo Inguscio, direttore del DMD (Dipartimento Materiali e Dispositivi) del Cnr e già direttore del Lens (Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare) presso l’Università di Firenze, grande esperto internazionale su questi argomenti e in qualche misura coinvolto in questi stessi risultati.

Prima di approfondire la portata dell’esperimento tedesco, varrà la pena riprendere una domanda che forse, per gran parte dei lettori, non ha una risposta così scontata: che cos’è la temperatura?
Esistono molte scale di temperatura, a partire da quella Celsius che usiamo nella vita quotidiana (che è definita sulla base del punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua) fino alla scala Kelvin, che misura invece la temperatura assoluta. In fisica quando parliamo di temperatura ci riferiamo solitamente a quest’ultima scala, il cui zero (lo “zero assoluto”) corrisponde a una temperatura di -273.15 °C nella scala Celsius. La definizione classica di temperatura è basata sul movimento delle particelle: T = mv 2/3kB, dove m è la massa delle particelle, kB è una costante (detta costante di Boltzmann) e v è la velocità quadratica media delle particelle. Una temperatura bassa corrisponde a una velocità piccola delle particelle, fino ad arrivare allo zero assoluto, che coincide con un’assenza di moto: la velocità media delle particelle è zero.

C’è però anche una definizione più generale…
Sì, questa definizione “cinetica” di temperatura, che vale per il moto degli atomi o delle molecole di un gas ideale, ha una validità molto limitata. Quando si considerano anche i gradi di libertà interni degli atomi è necessario ricorrere a definizioni alternative e più generali. In meccanica statistica la definizione più generale di temperatura è quella che si può dare in termini di entropia, una grandezza termodinamica che è legata al “disordine microscopico” di un sistema fisico, cioè al numero di configurazioni possibili in cui gli atomi o le molecole si possono trovare: 1/T = dS/ dE. Da questa definizione si ha una temperatura positiva quando l’entropia S aumenta all’aumentare dell’energia E (dS/dE>0). Questo è proprio ciò che accade in un gas ideale: all’aumentare dell’energia aumenta il numero di configurazioni in cui le particelle possono ripartirsi tra loro l’energia totale del sistema, quindi aumenta l’entropia: il sistema è più disordinato. Se però si considera un sistema in cui c’è un limite superiore all’energia delle particelle, si possono avere delle situazioni in cui l’entropia può diminuire all’aumentare dell’energia, fino a diventare nulla quando tutte le particelle occupano lo stato a energia massima (uno stato completamente ordinato!), che corrisponde ad avere una temperatura negativa. Attenzione però! Una temperatura negativa corrisponde in realtà a un’energia maggiore di quella dello stesso sistema a temperatura positiva.

Quindi ha senso ha parlare di temperatura inferiore allo zero assoluto?
La possibilità di avere una temperatura negativa è legata a un fenomeno ben noto in fisica atomica, che prende il nome di “inversione di popolazione”. Questo fenomeno, che può essere osservato quando si considerano i gradi di liberà interni degli atomi, consiste nell’avere un numero maggiore di atomi che si trovano in uno stato a energia più alta rispetto a quelli che si trovano in uno stato a energia più bassa. L’inversione di popolazione, apparentemente in contrasto con la tendenza di un sistema fisico ad occupare gli stati a energia più bassa, è un fenomeno essenziale per il funzionamento di un laser e si può osservare anche in sistemi fisici diversi, ad esempio per sistemi di spin studiati con tecniche di risonanza magnetica nucleare. L’idea non è nuova: è ben nota fin dai tempi di Planck e Einstein, quando i primi studi sull’assorbimento e sull’emissione di luce da parte di un corpo nero hanno portato alla nascita della meccanica quantistica.

In che cosa è consistito l’esperimento degli scienziati tedeschi con gli atomi ultrafreddi?

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? 

Il lavoro che svolgiamo al Cnr (Istituto Nazionale di Ottica) e al Lens di Firenze è strettamente collegato a quanto realizzato da Schneider e Bloch. Anche noi, come il gruppo di Monaco, lavoriamo da più di dieci anni su esperimenti di fisica atomica in cui si studia il comportamento della materia a temperature cosi estreme, fermando il moto degli atomi con la luce e intrappolando questi ultimi in cristalli di luce che prendono il nome di “reticoli ottici”. Questo tipo di ricerca a cui ci dedichiamo ha un carattere principalmente fondamentale, ma serve anche per studiare i principi fondanti sui quali costruire una nuova “tecnologia quantistica”, basata sull’applicazione della meccanica quantistica alle tecnologie dell’informazione e della comunicazione. Questa nuova tecnologia è già in pieno sviluppo (come riconosciuto dal premio Nobel per la Fisica 2012 ad Haroche e Wineland) e potrebbe rappresentare un cambio di paradigma più radicale di quello che ha portato l’uomo dall’uso dell’abaco a quello dei computer. Questa tecnologia quantistica in alcuni campi è già matura (ad esempio, nell’ambito della crittografia quantistica o nello sviluppo di sensori di forze molto accurati) ed è facile prevedere che molti saranno i suoi sviluppi negli anni futuri.

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