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Sulla stazione spaziale cinese Tiangong una nube di circa 20.000 atomi di rubidio è stata raffreddata fino a 9,7 picokelvin, il valore più basso mai ottenuto in un gas atomico dall’uomo. Il risultato, presentato dall’Accademia Cinese delle Scienze, è descritto in uno studio pubblicato su Science.
La temperatura indicata non è la lettura diretta di un termometro ma un valore equivalente ricavato misurando l’espansione della nube lungo tre direzioni dopo averla liberata dalla trappola: più lenta l’espansione, più bassa la temperatura. La stima riporta un margine di incertezza tra 7 e 12,9 picokelvin, comunque nettamente inferiore ai primati precedenti.
Il primato supera il precedente risultato del 2021 ottenuto in Germania alla torre di caduta libera del centro ZARM di Brema, dove il gas era stato portato a 38 picokelvin sfruttando alcuni secondi di caduta libera in un tubo alto oltre cento metri. Anche il Cold Atom Laboratory della NASA, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, aveva raggiunto temperature dell’ordine di 52 picokelvin.
Per ottenere il nuovo record il gruppo cinese ha impiegato una trappola composta interamente di luce, realizzata con fasci laser focalizzati, invece della tradizionale trappola magnetica. Dopo un primo raffreddamento laser sono stati lasciati sfuggire gli atomi più energetici abbassando l’intensità della trappola; gli atomi rimanenti hanno formato un condensato di Bose-Einstein. Nella fase finale il gas è stato trasferito in una trappola più ampia e poi rilasciato con una presa molto debole per ridurre al minimo l’energia di espansione.
La microgravità orbitale ha giocato un ruolo cruciale: senza la costante accelerazione verso il basso imposta dalla gravità terrestre è possibile confinare gli atomi con forze molto più deboli, ottenendo temperature più basse e tempi di osservazione più lunghi. Secondo i dati del team, su Terra una nube ultrafredda rimane osservabile per circa cinque centesimi di secondo; sulla Stazione Spaziale Internazionale si arriva a un secondo, mentre su Tiangong è stato possibile monitorarla per sette secondi. Xiong Wei, tra i primi autori dello studio, ha sottolineato che tempi di osservazione più lunghi aumentano la probabilità di scoprire fenomeni fisici nuovi e deboli.
I vantaggi della trappola ottica includono minore sensibilità alle interferenze magnetiche, controllo più preciso in orbita e spazi liberi per altri fasci laser, rendendo l’apparato adatto a una più ampia gamma di esperimenti di simulazione quantistica.
Il progetto ha radici decennali: gli studi di fattibilità sono iniziati nel 2011 e l’apparato è stato lanciato in orbita nel 2022 insieme al modulo laboratorio Mengtian. L’iniziativa è stata organizzata dal Centro di tecnologia e ingegneria per l’utilizzo dello spazio dell’Accademia Cinese delle Scienze e realizzata con l’Università di Pechino e l’Istituto di ottica e meccanica fine di Shanghai.
La compressione del sistema è stata una sfida ingegneristica significativa: ciò che a terra occupava circa venti metri cubi e pesava attorno alle dieci tonnellate è stato ridotto a un armadio sperimentale di 0,7 metri cubi e mezza tonnellata. I tecnici hanno dovuto affrontare problemi legati all’ultra-alto vuoto, ai laser in fibra ad alta potenza, alla stabilità di frequenza laser nel lungo periodo e all’integrazione ottica di elevata precisione.
Le applicazioni della materia ultrafredda riguardano strumenti e tecnologie che sfruttano la natura ondulatoria della materia: orologi atomici di precisione, interferometri atomici, sistemi di misura inerziale e alcune linee di ricerca per il calcolo quantistico. Chen Weibiao, ricercatore dell’istituto di Shanghai, ha indicato possibili studi su transizioni di fase, dinamiche fuori equilibrio e correlazioni quantistiche tra molti corpi a temperature estreme, oltre a simulazioni dell’universo primordiale e ricerche su materia oscura ultraleggera.
Gli autori dello studio segnalano anche l’obiettivo di realizzare un interferometro atomico in orbita in grado di mettere alla prova il principio di equivalenza. Lyu Congmin, progettista capo del sistema di applicazioni spaziali del programma con equipaggio, ha invitato la comunità scientifica internazionale a proporre esperimenti da condurre sull’armadio per la fisica degli atomi ultrafreddi a bordo di Tiangong.
