Il Cold Atom Lab della NASA, nella sua versione potenziata, è tornato operativo a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, offrendo ai ricercatori un nuovo e potente strumento per indagare la natura fondamentale della materia e promuovere lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche. Sfruttando l’ambiente di microgravità della stazione, la struttura consente di effettuare esperimenti impossibili sulla Terra.
La scienza quantistica si concentra sul comportamento della materia e dell’energia a scale estremamente ridotte, includendo atomi, elettroni e particelle di luce. Sebbene gli atomi siano spesso raffigurati come minuscole sfere che si scontrano tra loro, il mondo quantistico è ben più strano. Gli atomi possono comportarsi come onde, apparire in più posizioni contemporaneamente e persino attraversarsi a vicenda in determinate condizioni.
Gli studi del Cold Atom Lab della NASA sulla materia in prossimità dello zero assoluto
Grande quanto un mini-frigorifero e controllato a distanza dalla Terra, il Cold Atom Lab raffredda gli atomi a temperature inferiori a -459 gradi Fahrenheit (-237 gradi Celsius). A temperature appena superiori allo zero assoluto, gli atomi possono combinarsi in uno stato quantistico insolito noto come condensato di Bose-Einstein, o BEC.
Un condensato di Bose-Einstein (BEC) è costituito da onde di materia ed è considerato un quinto stato della materia, oltre a solidi, liquidi, gas e plasma. Sebbene sia molto più grande delle singole particelle subatomiche, segue comunque le leggi della meccanica quantistica. Le condizioni di microgravità dell’orbita terrestre bassa permettono a queste onde di materia di raggiungere dimensioni ancora maggiori rispetto a quanto accadrebbe sulla Terra.
“Alle temperature più basse, la materia si comporta in modo drasticamente diverso da qualsiasi cosa abbiamo mai sperimentato”, ha affermato Jason Williams, scienziato responsabile del Cold Atom Lab presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, che ha costruito la struttura. “La natura ondulatoria della materia è dominante e la materia ultrafredda può comportarsi in modi non solo inaspettati, ma che consentono anche misurazioni estremamente precise di tempo, gravità e movimento. Il laboratorio dispone di molti strumenti, soprattutto con quest’ultimo aggiornamento, che ci permettono di indagare la natura dell’universo.”
Attualmente la struttura ospita cinque team di ricerca internazionali che studiano la fisica fondamentale. Funge anche da banco di prova per strumenti quantistici che un giorno potrebbero supportare le indagini sulle scienze della Terra e le future missioni di esplorazione.
Come funziona il laboratorio potenziato sugli atomi freddi
Al centro della struttura si trova una sofisticata serie di strumenti nota come modulo scientifico. Una versione recentemente aggiornata di questo modulo è arrivata alla Stazione Spaziale Internazionale l’11 aprile a bordo di una missione del Servizio di Rifornimento Commerciale, ampliando la gamma di esperimenti che gli scienziati possono condurre.
Durante un esperimento, strisce di rubidio o potassio metallico vengono riscaldate a temperature fino a 750 °F (400 °C), creando un gas all’interno di una camera a vuoto. I ricercatori utilizzano quindi laser accuratamente sintonizzati per sottrarre energia agli atomi. Man mano che gli atomi perdono energia, rallentano e si raffreddano drasticamente.
Dopo la fase di raffreddamento laser, i campi magnetici intrappolano gli atomi e li mantengono confinati. Ulteriori tecniche di raffreddamento riducono ulteriormente la loro energia, portando la nube atomica quasi all’immobilità completa e consentendo agli scienziati di massimizzare il tempo in cui può essere studiata in microgravità.
Perché gli esperimenti quantistici traggono vantaggio dallo spazio
Gli scienziati possono studiare i gas ultrafreddi nei laboratori sulla Terra, ma lo spazio offre importanti vantaggi. In microgravità, i gas quantistici possono essere osservati per periodi più lunghi e raffreddati a temperature ancora più basse.
L’ambiente a bassa gravità permette inoltre la formazione di onde quantistiche più grandi, che interagiscono con la gravità per periodi di tempo più lunghi. Per rendere possibili questi esperimenti a bordo della stazione, gli ingegneri hanno compresso quello che normalmente sarebbe un laboratorio di fisica atomica delle dimensioni di una stanza, pieno di laser e apparecchiature ottiche, in un sistema compatto che si adatta all’interno di un rack sperimentale della stazione.
“Essendo il primo progetto a creare condensati di Bose-Einstein in orbita, stiamo dimostrando che possiamo far funzionare la tecnologia quantistica in modo affidabile nello spazio”, ha affermato Ethan Elliott, vice responsabile scientifico del Cold Atom Lab presso il JPL. “Nel secolo scorso, c’è stata una rivoluzione quantistica che ha portato ai laser, ai telefoni cellulari e alla risonanza magnetica per la diagnostica per immagini. Noi stiamo realizzando la meccanica quantistica 2.0, ovvero la manipolazione diretta di grandi stati quantistici, e speriamo di ottenere progressi simili nella tecnologia quantistica portando avanti questa scienza in orbita.”
Il nuovo aggiornamento amplia le capacità di ricerca quantistica
L’ultimo miglioramento rappresenta il quarto aggiornamento importante da quando il Cold Atom Lab è stato installato sulla Stazione Spaziale Internazionale nel 2018.
Tra i miglioramenti più significativi spicca una trappola magnetica riprogettata in grado di modificare la forma delle nubi di gas quantistico. Ciò offre ai ricercatori nuove opportunità per studiare le proprietà e il comportamento degli atomi ultrafreddi. Gli ingegneri hanno inoltre introdotto sorgenti di atomi metallici riprogettate, che generano le nubi di gas utilizzate negli esperimenti.
“È quanto di più vicino abbiamo al controllo dei confini del mondo quantistico”, ha affermato Kamal Oudrhiri, responsabile del progetto Cold Atom Lab del JPL, riferendosi a quelle basse temperature. “Questo nuovo aggiornamento spinge quei confini ancora più in là.”
Oudrhiri ha aggiunto che il nuovo hardware “dimostra la capacità della NASA di mantenere la leadership statunitense nelle tecnologie quantistiche spaziali, sviluppando al contempo futuri strumenti quantistici, come gli interferometri a onde di materia per missioni di fisica fondamentale, posizionamento, navigazione, temporizzazione e rilevamento della gravità della Terra, della Luna e oltre”.
Avanzamento della tecnologia quantistica nello spazio
Il Cold Atom Lab è gestito dal Caltech di Pasadena, mentre il Jet Propulsion Laboratory della NASA ha progettato, costruito e gestisce la struttura. Il progetto è sponsorizzato dalla divisione di Scienze Biologiche e Fisiche della Direzione delle Missioni Scientifiche della NASA a Washington.
La divisione supporta la scoperta scientifica sfruttando le condizioni uniche dello spazio per condurre esperimenti impossibili da realizzare sulla Terra. Studiando i processi biologici e fisici in ambienti estremi, i ricercatori acquisiscono conoscenze che possono aiutare l’umanità a viaggiare più lontano e a rimanere nello spazio più a lungo, apportando al contempo benefici alla vita sulla Terra.
Gli astronauti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale hanno attivato il Cold Atom Lab della NASA, una struttura unica nel suo genere progettata per migliorare il modo in cui gli scienziati esplorano i meccanismi fondamentali della materia e sviluppano nuove tecnologie quantistiche. Sfruttando l’ambiente unico della microgravità nello spazio, il laboratorio può realizzare ricerche scientifiche all’avanguardia impossibili da ottenere altrove.
La scienza quantistica è lo studio della materia alle scale più piccole, come atomi, elettroni e singole particelle di luce. Sebbene sia facile immaginare gli atomi come palle da biliardo che rimbalzano l’una contro l’altra, essi mostrano anche un comportamento ondulatorio, possono esistere simultaneamente in due posti contemporaneamente e possono persino attraversarsi a vicenda.
Grande quanto un mini-frigorifero e gestito dalla Terra, il Cold Atom Lab raffredda gli atomi a temperature inferiori a -459 gradi Fahrenheit (-237 gradi Celsius). A questo freddo estremo, appena sopra lo zero assoluto, gli atomi formano un grande oggetto quantistico chiamato condensato di Bose-Einstein, o BEC, un insieme di onde di materia che rappresenta un quinto stato della materia oltre a solidi, liquidi, gas e plasma. Questo oggetto segue le leggi della meccanica quantistica nonostante sia molto più grande delle particelle subatomiche, e la microgravità dell’orbita terrestre bassa contribuisce a rendere le onde ancora più grandi.
Materiale fornito dalla NASA . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
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