The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
I materiali più freddi del mondo non si trovano in Antartide. Non sono in cima all'Everest, né sepolti in un ghiacciaio. Sono nei laboratori di fisica: nubi di gas tenute a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto. È 395 milioni di volte più freddo dei nostri frigoriferi, 100 milioni di volte più freddo dell'azoto liquido e 4 milioni di volte più freddo dello spazio. Tali condizioni permettono agli scienziati di capire il funzionamento della materia e agli ingegneri di creare strumenti estremamente sensibili che possono dirci di più su molte cose, dalla nostra posizione sul pianeta a che cosa sta succedendo nei più remoti angoli dell'universo.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
Come facciamo a produrre temperature così estreme? In pratica, rallentando le particelle in movimento. Quando si parla di temperatura, in realtà si parla di movimento. Gli atomi che compongono i solidi, i liquidi e i gas si muovono in continuazione. Quando gli atomi si muovono velocemente, percepiamo quella materia come calda. Quando si muovono lentamente, la percepiamo come fredda.
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
Per rendere freddo un oggetto o un gas caldo nella vita quotidiana, lo mettiamo in un ambiente più freddo, come il frigorifero. Parte del movimento atomico dell'oggetto caldo è trasferito all'area circostante e si raffredda. Ma c'è un limite: anche lo spazio è troppo caldo per creare temperature bassissime. Così gli scienziati hanno trovato un modo per rallentare direttamente gli atomi,
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
cioè con un raggio laser. Nella maggior parte dei casi, l'energia del raggio laser riscalda le cose. Ma utilizzato in modo molto preciso, il momento del raggio può fermare gli atomi in movimento, raffreddandoli. Questo è ciò che succede in un dispositivo chiamato trappola magneto-ottica. Gli atomi vengono immessi in una camera a vuoto e il campo magnetico li attira verso il centro. Un raggio laser indirizzato al centro della camera viene sintonizzato sulla giusta frequenza, cosicché un atomo diretto lì assorbirà un fotone del raggio e rallenterà. L'effetto di rallentamento deriva dal passaggio del momento dall'atomo al fotone. Un totale di sei raggi, posizionati perpendicolarmente, garantiscono di poter intercettare atomi che si muovono in tutte le direzioni. Al centro, dove i raggi si incrociano, gli atomi si muovono lentamente, come intrappolati in un liquido denso, un effetto descritto dai suoi inventori come "melassa ottica". Una trappola magneto-ottica come questa può raffreddare gli atomi fino a pochi microkelvin,
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
circa -273 gradi Celsius. Questa tecnica fu elaborata negli anni '80 e gli scienziati che vi contribuirono vinsero nel 1997 il premio Nobel per la fisica grazie a questa scoperta.
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
Oggi il raffreddamento laser è in grado di raggiungere temperature più basse. Ma perché si vogliono raffreddare gli atomi così tanto? Prima di tutto, gli atomi freddi possono essere buoni rilevatori. Con così poca energia, sono incredibilmente sensibili alle fluttuazioni nell'ambiente. Sono usati in dispositivi che cercano giacimenti di petrolio e minerali e fungono anche da orologi atomici estremamente precisi, come quelli utilizzati nei GPS.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
In secondo luogo, gli atomi freddi detengono un enorme potenziale per esplorare i confini della fisica. La loro eccezionale sensibilità li rende perfetti per individuare le onde gravitazionali nei futuri rilevatori spaziali. Sono utili anche per lo studio di fenomeni atomici e subatomici, che richiedono la misurazione di minuscole oscillazioni nell'energia degli atomi. Queste sono sovrastate a temperature normali, quando gli atomi sfrecciano a centinaia di metri al secondo. Il raffreddamento laser può rallentare gli atomi a pochi centimetri al secondo, velocità che rende evidente il movimento dovuto agli effetti del quantum atomico. Gli atomi ultrafreddi hanno già permesso agli scienziati di studiare fenomeni come la condensazione di Bose-Einstein, in cui gli atomi sono raffreddati quasi allo zero assoluto e diventano un nuovo raro stato della materia.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Finché i ricercatori continueranno a cercare di capire le leggi della fisica e svelare i misteri dell'universo, lo faranno con l'aiuto dei suoi atomi più freddi.