Per la prima volta atomi ultra-freddi sono stati impiegati per rilevare cambiamenti nell’ambiente circostante in orbita grazie al team scientifico del Cold Atom Lab della NASA che ha misurato piccole oscillazioni della stazione spaziale.
I fisici sono ansiosi di applicare l’interferometria atomica nello spazio perché la microgravità dell’orbita terrestre bassa permette una maggiore sensibilità degli strumenti e tempi più lunghi.
I sensori spaziali capaci di misurare la gravità con elevata precisione hanno un’ampia gamma di potenziali applicazioni, come scoprire la composizione di pianeti e lune nel nostro sistema solare grazie al fatto che materiali diversi hanno densità differenti creando sottili variazioni nella gravità.
L’attrezzatura adatta a questo tipo d’indagini è sempre stata considerata troppo fragile per funzionare senza un’assistenza periodica, ma la gestione da remoto ha dimostrato che si possono risolvere sfide ritenute impossibili, fino a poco tempo fa.
Il Cold Atom Lab (CAL) è stato lanciato verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) il 21 maggio 2018 da Cape Canaveral, trasportato da una navicella spaziale Cygnus.
Il laboratorio ha le dimensioni di un minifrigo ed è costituito da due contenitori, “single locker” e “quad locker”. In quest’ultimo scomparto si producono gli atomi ultra-freddi.
CAL consente di portare gli atomi quasi allo zero assoluto, meno 273 gradi Celsius. A questa temperatura, alcuni atomi possono formare un condensato di Bose-Einstein (BEC) , uno stato della materia in cui gli atomi condividono essenzialmente la stessa identità quantistica mantenendo a livello macroscopico alcune delle proprietà tipicamente microscopiche, facilitandone l’analisi.
Le proprietà quantistiche adottano a volte il comportamento come particelle solide ed a volte come onde. Gli scienziati non sanno come gli elementi costitutivi di tutta la materia passino da uno stato all’altro così diverso, ma stanno usando il dispositivo del Cold Atom Lab, chiamato interferometro atomico, per misurare con precisione la gravità, i campi magnetici ed altre forze per cercare risposte.
Questo strumento è già usato per perfezionare sistemi che aiutano la navigazione di aerei e navi, come il GPS, ma potrebbe offrire spunti persino sulla natura della materia oscura e dell’energia oscura. Inoltre potrebbe fornire ulteriore stabilità ai dati rilevati nei lievi cambiamenti nella gravità per tracciare il movimento dell’acqua e del ghiaccio sulla Terra, nell’ambito della collaborazione statunitense-tedesca GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on).
Uno studio del CAL, pubblicato il 13 agosto 2024 su Nature, documenta un interessante progresso, compresa la più lunga dimostrazione della natura ondulatoria degli atomi in caduta libera nello spazio.
Gli investigatori hanno incluso tecniche avanzate per il raffreddamento adiabatico, la manipolazione ed il controllo dei gas quantici come le tecniche di collimazione delta-kick per preparare atomi fino a 52 picoKelvin, così come lo sviluppo di potenziali modellati da campi RF (radiofrequenze) e lo studio di gas di rubidio ultrafreddi in geometrie a forma di bolla. Il concetto di potenziale si riferisce ad una regione nello spazio dove una forza agisce su una particella, determinando il suo movimento o la sua posizione. I campi RF modificano questo potenziale, permettendo il controllo preciso delle particelle all’interno di trappole o configurazioni particolari.
Uno dei ricercatori principali del CAL, il professore Cass Sackett dell’Università della Virginia ha affermato come l’interferometria atomica potrebbe anche essere utilizzata per testare la teoria della relatività generale di Einstein in nuovi modi.
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Immagini: NASA
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