La materia ha una duplice natura; tutto esiste sia come particella che come onda. A una temperatura prossima allo zero assoluto, la natura ondulatoria degli atomi diventa osservabile dalla radiazione nel campo del visibile. A temperature ultrafredde nella gamma dei nanoKelvin, gli atomi si uniscono in un'unica entità più grande e passano al quinto stato chiamato Bose Eisenstein Condensate (BEC) che si comporta come un'onda in un grande pacchetto. Come tutte le onde, gli atomi in questo stato manifestano il fenomeno dell'interferenza e gli schemi di interferenza delle onde atomiche possono essere studiati nei laboratori. Gli interferometri atomici implementati nell'ambiente di microgravità dello spazio agiscono come un sensore estremamente preciso e offrono l'opportunità di misurare le accelerazioni più deboli. Il Cold Atom Laboratory (CAL) delle dimensioni di un mini frigorifero in orbita attorno alla Terra a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è una struttura di ricerca per lo studio dei gas quantistici ultrafreddi nell'ambiente di microgravità dello spazio. È stato aggiornato con Atom Interferometer alcuni anni fa. Secondo il rapporto pubblicato il 13 agosto 2024), i ricercatori hanno condotto con successo esperimenti esplorativi. Potrebbero misurare le vibrazioni della ISS utilizzando un interferometro Mach-Zehnder a tre impulsi a bordo della struttura CAL. Questa è stata la prima volta che un sensore quantistico è stato utilizzato nello spazio per rilevare i cambiamenti nelle immediate vicinanze. Il secondo esperimento prevedeva l'uso dell'interferometria delle onde di taglio di Ramsey per manifestare modelli di interferenza in un'unica analisi. I modelli erano osservabili per oltre 150 ms di tempo di espansione libera. Questa è stata la dimostrazione più lunga della natura ondulatoria degli atomi in caduta libera nello spazio. Il gruppo di ricerca ha anche misurato il rinculo del fotone laser di Bragg come dimostrazione del primo sensore quantistico che utilizza l’interferometria atomica nello spazio. Questi sviluppi sono significativi. Essendo i sensori più precisi, gli interferometri atomici ultrafreddi basati nello spazio possono misurare accelerazioni estremamente deboli, offrendo quindi ai ricercatori l'opportunità di esplorare le questioni (come la materia oscura e l'energia oscura, l'asimmetria materia-antimateria, l'unificazione della gravità con altri campi). che la Relatività Generale e il Modello Standard della fisica delle particelle non possono spiegare e colmare il divario nella nostra comprensione dell’universo.
Le onde manifestano il fenomeno dell'interferenza, cioè due o più onde coerenti si combinano per dare origine a un'onda risultante che può avere un'ampiezza maggiore o minore a seconda delle fasi delle onde combinate. Nel caso della luce, vediamo le onde risultanti sotto forma di frange scure e chiare.
L'interferometria è un metodo per misurare le caratteristiche utilizzando il fenomeno dell'interferenza. Si tratta di dividere l'onda incidente in due fasci che percorrono percorsi diversi e poi si combinano per formare uno schema di interferenza o frange risultanti (nel caso della luce). Il modello di interferenza risultante è sensibile ai cambiamenti nelle condizioni dei percorsi di viaggio dei raggi, ad esempio, qualsiasi cambiamento nella lunghezza del percorso di viaggio o in qualsiasi campo in relazione alla lunghezza d'onda influenza il modello di interferenza e può essere utilizzato per le misurazioni.
Onda di de Broglie o onda di materia
La materia ha una duplice natura; esiste sia come particella che come onda. Ogni particella o oggetto in movimento ha una caratteristica d'onda data dall'equazione di de Broglie
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
dove λ è la lunghezza d'onda, h è la costante di Planck, m è la massa, v è la velocità della particella, p è la quantità di moto, K è la costante di Boltzmann e T è la temperatura in Kelvin.
La lunghezza d'onda termica di De Broglie è inversamente proporzionale alla radice quadrata della temperatura in Kelvin, il che significa che λ sarà maggiore a temperature più basse.
Studio delle onde degli atomi ultrafreddi
Per un atomo tipico, la lunghezza d'onda di De Broglie a temperatura ambiente è dell'ordine degli angstrom (10-10 m) vale a dire. 0.1 nanometri (1 nm=10-9 M). Una radiazione di una determinata lunghezza d'onda può risolvere dettagli nello stesso intervallo di dimensioni. La luce non può risolvere dettagli più piccoli della sua lunghezza d'onda, quindi un tipico atomo a temperatura ambiente non può essere ripreso utilizzando la luce visibile che ha una lunghezza d'onda compresa tra circa 400 nm e 700 nm. I raggi X possono farlo a causa della loro lunghezza d'onda nella gamma angstrom, ma la loro elevata energia distrugge gli stessi atomi che dovrebbe osservare. La soluzione quindi sta nel ridurre la temperatura dell’atomo (al di sotto di 10-6 kelvin) in modo che le lunghezze d'onda di de Broglie degli atomi aumentino e diventino paragonabili alle lunghezze d'onda della luce visibile. A temperature ultrafredde, la natura ondulatoria degli atomi diventa misurabile e rilevante per l’interferometria.
Poiché la temperatura degli atomi si riduce ulteriormente nell'intervallo dei nanokelvin (10-9 kelvin) fino a circa 400 nK, i bosoni atomici passano al quinto stato della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BCE). A temperature così basse, vicine allo zero assoluto, quando i movimenti termici delle particelle diventano estremamente trascurabili, gli atomi si fondono in un’unica entità più grande che si comporta come un’onda in un grande pacchetto. Questo stato degli atomi offre ai ricercatori l’opportunità di studiare i sistemi quantistici su scala macroscopica. Il primo BCE atomico è stato creato nel 1995 in un gas di atomi di rubidio. Da allora, quest’area ha visto molti miglioramenti nella tecnologia. IL BEC molecolare di molecole di NaCs è stato recentemente creato a una temperatura ultrafredda di 5 nanoKelvin (nK).
Le condizioni di microgravità nello spazio sono migliori per la ricerca sulla meccanica quantistica
La gravità nei laboratori terrestri richiede l'uso di una trappola magnetica per mantenere gli atomi in posizione per un raffreddamento efficace. La gravità limita anche il tempo di interazione con i BEC nei laboratori terrestri. La formazione di BEC nell'ambiente di microgravità dei laboratori spaziali supera queste limitazioni. L'ambiente di microgravità può aumentare il tempo di interazione e ridurre i disturbi provenienti dal campo applicato, supportando così meglio la ricerca sulla meccanica quantistica. I BCE ora si formano abitualmente in condizioni di microgravità nello spazio.
Cold Atom Laboratory (CAL) presso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS)
Il Cold Atom Laboratory (CAL) è una struttura di ricerca multiutente con sede presso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per lo studio dei gas quantistici ultrafreddi nell'ambiente di microgravità dello spazio. CAL è gestito in remoto dal centro operativo del Jet Propulsion Laboratory.
In questa struttura spaziale è possibile avere tempi di osservazione superiori a 10 secondi e temperature ultrafredde inferiori a 100 picoKelvin (1 pK= 10 all'12 ottobre Kelvin) per lo studio dei fenomeni quantistici.
Il Cold Atom Lab è stato lanciato il 21 maggio 2018 ed è stato installato sulla ISS alla fine di maggio 2018. Un condensato di Bose-Einstein (BEC) è stato creato in questa struttura spaziale nel luglio 2018. Questa è stata la prima volta; un quinto stato della materia è stato creato nell'orbita terrestre. Successivamente, la struttura è stata potenziata in seguito all'implementazione di interferometri ad atomi ultrafreddi.
CAL ha raggiunto molti traguardi negli ultimi anni. I condensati di rubidio Bose-Einstein (BEC) sono stati prodotti nello spazio nel 2020. È stato anche dimostrato che l'ambiente di microgravità è vantaggioso per gli esperimenti con atomi freddi.
L'anno scorso, nel 2023, i ricercatori hanno prodotto BEC a doppia specie formato da 87Rb e 41K e ha dimostrato per la prima volta nello spazio l'interferometria atomica simultanea con due specie atomiche nella struttura del Cold Atom Laboratory. Questi risultati sono stati importanti per i test quantistici sull’universalità della caduta libera (UFF) nello spazio.
Recenti progressi nelle tecnologie quantistiche spaziali
Secondo il rapporto pubblicato il 13 agosto 2024), i ricercatori impiegati 87atomi Rb nell'interferometro atomico CAL e condotto con successo tre esperimenti di pathfinding. Potrebbero misurare le vibrazioni della ISS utilizzando un interferometro Mach-Zehnder a tre impulsi a bordo della struttura CAL. Questa è stata la prima volta che un sensore quantistico è stato utilizzato nello spazio per rilevare i cambiamenti nelle immediate vicinanze. Il secondo esperimento prevedeva l'uso dell'interferometria delle onde di taglio di Ramsey per manifestare modelli di interferenza in un'unica analisi. I modelli erano osservabili per oltre 150 ms di tempo di espansione libera. Questa è stata la dimostrazione più lunga della natura ondulatoria degli atomi in caduta libera nello spazio. Il gruppo di ricerca ha anche misurato il rinculo del fotone laser di Bragg come dimostrazione del primo sensore quantistico che utilizza l’interferometria atomica nello spazio.
Importanza degli interferometri atomici ultrafreddi dispiegati nello spazio
Gli interferometri atomici sfruttano la natura quantistica degli atomi e sono estremamente sensibili ai cambiamenti nell'accelerazione o nei campi, quindi hanno applicazioni come strumenti di alta precisione. Gli interferometri atomici terrestri vengono utilizzati per studiare la gravità e nelle tecnologie di navigazione avanzate.
Gli interferometri atomici spaziali presentano i vantaggi di un ambiente di microgravità persistente che offre condizioni di caduta libera con un'influenza molto minore dei campi. Aiuta inoltre i condensati di Bose-Einstein (BEC) a raggiungere temperature più fredde nella gamma dei picoKelvin e ad esistere per una durata più lunga. L’effetto netto è un tempo di osservazione prolungato e quindi una migliore opportunità di studiare. Ciò dota gli interferometri atomici ultrafreddi dispiegati nello spazio con capacità di misurazione ad alta precisione e li rende supersensori.
Gli interferometri atomici ultrafreddi dispiegati nello spazio possono rilevare variazioni molto sottili di gravità che sono indicative di variazioni di densità. Questo può aiutare nello studio della composizione dei corpi planetari e di eventuali cambiamenti di massa.
La misurazione ad alta precisione della gravità può anche aiutare a comprendere meglio la materia oscura e l’energia oscura e nell’esplorazione delle forze sottili oltre la Relatività Generale e il Modello Standard che descrivono l’universo osservabile.
La relatività generale e il modello standard sono le due teorie che descrivono l'universo osservabile. Il modello standard della fisica delle particelle è fondamentalmente la teoria quantistica dei campi. Descrive solo il 5% dell'universo, il restante 95% è in forme oscure (materia oscura ed energia oscura) che non comprendiamo. Il modello standard non può spiegare la materia oscura e l'energia oscura. Non può spiegare nemmeno l'asimmetria materia-antimateria. Allo stesso modo, la gravità non può ancora essere unificata con gli altri campi. La realtà dell'universo non è completamente spiegata dalle attuali teorie e modelli. Acceleratori e osservatori giganti non sono in grado di far luce su molti di questi misteri della natura. Come sensori più precisi, gli interferometri atomici ultrafreddi basati nello spazio offrono ai ricercatori l'opportunità di esplorare queste domande per colmare il divario nella nostra comprensione dell'universo.
***
Riferimenti:
- Meystre, Pierre 1997. Quando gli atomi diventano onde. Disponibile a https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Laboratorio Atomo Freddo – Missioni nell'Universo. Disponibile a https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Osservazione dei condensati di Bose-Einstein in un laboratorio di ricerca in orbita attorno alla Terra. Natura 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Miscele di gas quantistici e interferometria di atomi a doppia specie nello spazio. Natura 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder sperimenta l'interferometria atomica nel Cold Atom Lab a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Nat Commun 15, 6414. Pubblicato: 13 agosto 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Versione prestampata https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- La NASA dimostra per la prima volta nello spazio un sensore quantistico "ultra-cool". Pubblicato il 13 agosto 2024.Disponibile su https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
