082. Fisica atomica allo zero assoluto

Abstract
Il fisico italiano Massimo Inguscio ci racconta la splendida avventura scientifica del
LENS, lo European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy, nato nel 1991 e di cui
è stato direttore.
Al LENS, uno dei punti di riferimento internazionali per la ricerca con la radiazione
laser, Inguscio e i suoi collaboratori hanno sviluppato una serie di ricerche di
successo sulle interazioni tra laser e materia, attirando grandi nomi del panorama
scientifico internazionale come i premi Nobel Theodor
Hänsch e Eric Cornell. Negli anni novanta il LENS ha inoltre affrontato la sfida della
competizione internazionale nello studio del mondo degli atomi a temperature vicine
allo zero assoluto.
Massimo Inguscio, ordinario di Fisica della materia, ha diretto il Laboratorio Europeo
di Spettroscopia non lineare (LENS). Accademico dei Lincei, attualmente è anche
direttore del Dipartimento "Materiali e Dispositivi" del Consiglio Nazionale delle
Ricerche (CNR).
Indice
La mia vita .............................................................................................5
La condensazione di Bose-Einstein.................................................14
Bose ed Einstein.................................................................................16
Verso lo zero assoluto .......................................................................20
Una trappola per atomi fatta di luce................................................23
Come realizzare una scodella per atomi .........................................28
Majorana e lo “spin flip”...................................................................34
Vale la pena rischiare .........................................................................38
Come raffreddare gli atomi “per simpatia”....................................43
Un condensato di Bose in un mare di Fermi.................................47
L’avventura continua... ......................................................................50
I personaggi.........................................................................................61
Glossario..............................................................................................65
Verso lo zero assoluto
In un gas il moto è casuale, le particelle urtano continuamente tra di loro cambiando direzione e velocità. La
temperatura è una misura dell’agitazione termica ed è legata al quadrato della velocità media. Per dare un’idea, gli
atomi e le molecole che costituiscono l’aria dell’ambiente
in cui viviamo si muovono con una velocità media di centinaia di metri al secondo.
Che cosa succede se abbassiamo progressivamente la
temperatura di un gas? Accade che l’agitazione termica delle particelle diminuisce e generalmente il gas cambia di stato, diventando un liquido, e poi un solido. Queste sono le
transizioni di fase per così dire “ordinarie”. All’abbassarsi
della temperatura diminuisce il movimento, esiste però
una temperatura limite, lo zero assoluto, che è irraggiungibile poiché corrisponderebbe ad assenza di movimento.
La temperatura “assoluta” si misura in gradi Kelvin e
come detto lo zero di questa scala assoluta corrisponde,
nella scala Celsius, che ci è più familiare, a -273,15 gradi
centigradi. Dalla Fig. 1 si può osservare come la temperatura dello spazio interstellare sia un po’ sopra lo zero assoluto, di 3 gradi, e ciò deriva da un po’ di calore residuo
del Big Bang.
In laboratorio possiamo avvicinarci molto di più al limite: piccoli campioni di atomi vengono infatti raffred20
dati sino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Come detto, neanche a queste temperature bassissime gli atomi smettono di muoversi, anche se la loro velocità media si riduce al di sotto di pochi millimetri al secondo.
Una breve digressione. L’impossibilità che il moto
degli atomi si arresti del tutto allo zero assoluto è anche
un’intuizione filosofica, come poeticamente illustrato da
Lucrezio nel suo De rerum natura.
Al liceo, insieme alla fisica ero attratto dalla filosofia:
infatti c’è un legame profondo tra fisica e filosofia. Quando vengono da me studenti incerti sul loro futuro, che mi
dicono: “Mi piace tutto, la fisica, la chimica…”, chiedo
sempre quanto piaccia loro la filosofia, perché così capisco
se sono portati anche per la fisica.
Penso che comune alla filosofia e alla fisica sia la ricerca di una sintesi e di una visione globale nella conoscenza.
La fisica, poi, è una disciplina che non ha aggettivi. Quando qualcuno mi chiede che tipo di fisico io sia, se atomico,
nucleare, e così via, rispondo che la fisica è una, e questo è
il bello. Noi fisici riusciamo a parlare tra di noi con poche
leggi che conosciamo universalmente.
Chissà, questa piccola digressione può spiegare perché un ragazzo, affascinato dalla filosofia, al terzo anno
del corso di laurea in fisica scelse di occuparsi di atomi.
Infatti mi sono laureato lavorando a un esperimento sull’atomo di mercurio, che è molto interessante dal punto
di vista spettroscopico. In quello stesso periodo il mio
amico e compagno di studi Sandro Stringari sceglieva studi teorici di meccanica statistica ed intraprendevamo stra-
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de apparentemente molto diverse. Ma, ecco che l’unicità
della fisica, attraverso la condensazione di Bose-Einstein,
una delle frontiere interdisciplinari di oggi, ci avrebbe
consentito di lavorare e persino firmare lavori insieme.
Fu in un viaggio in treno nel 1996, di ritorno da una scuola a Torino, che chiacchierando ponemmo le basi della
nuova avventura.
Ma, come si è riusciti a portare gli atomi a quelle temperature bassissime?
Può apparire anche questo assai singolare, ma l’operazione cruciale è stata illuminare gli atomi con luce laser
raffreddandoli fino a 1/10.000 di grado sopra lo zero assoluto. Il secondo passo è stato di raffreddarli ancora mediante una specie di evaporazione.
Vediamo il primo passo: raffreddare con la luce.
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