Fisica e temperatura: sempre più freddo…

La temperatura è una proprietà fisica di fondamentale importanza per la vita, il suo mantenimento ed il suo sviluppo. Come per le altre sette grandezze fondamentali, l’uomo ha avuto il bisogno di ‘’quantificare’’ la temperatura attraverso la scelta arbitraria di una scala di misura. Nei paesi latini la temperatura viene misurata in gradi Celsius, mentre nei paesi anglosassoni l’unità di misura è il Fahrenheit. Per mettere pace, l’unità ufficiale della temperatura adottata dal sistema internazionale è il Kelvin. In particolare, a zero gradi celsius, quando cioè l’acqua ghiaccia, corrispondono 273.15 gradi Kelvin.

Non siamo molto familiari con le temperature negative. In inverno nevica, o ghiaccia. Sappiamo che i pinguini si riparano dal vento gelido che soffia a -60 gradi Celsius mettendosi in gruppo in movimento continuo in modo che il nucleo del gruppo sia riparato dagli strati più esterni, e che tutti i pinguini passino del tempo all’interno del nucleo.

Comunque, al di là dei pinguini, a scuola ci insegnano che lo zero assoluto, gli zero Kelvin, sono la temperatura più bassa possibile, irraggiungibile, alla quale tutto si ferma, tutto è immobile e non esiste più disordine. A temperature prossime allo zero assoluto gli atomi cominciano a comportarsi in maniera strana. Gli effetti quantistici, che alle temperature ordinarie non si osservano (di solito) a causa delle fluttuazioni termiche, diventano dominanti. Osserviamo oggetti strani, come i condensati di Bose Einstein, ovvero gruppi di bosoni (come ad esempio il deuterio, isotopo dell’idrogeno) che si uniscono a formare un condensato che si comporta come fosse una singola particella. L’effetto tunnel diventa estremamente comune, e alcuni gas come l’elio diventano fluidi con la capacità di condurre corrente senza resistenza, diventano cioè superfluidi. Per contro, alcuni materiali solidi si trovano ad avere la stessa proprietà superconduttrici.

In realtà, il primo esperimento in cui si raggiunse una temperatura negativa risale al 1951 (1) relativamente al moto di spin degli elettroni, ovvero al moto di rotazione degli elettroni intorno al proprio asse (come la Terra gira intorno al proprio asse, così fanno gli elettroni anche se il loro moto di spin è un effetto quantistico).

Recentemente (2) è stata raggiunta una temperatura negativa non solo per il moto di spin, ma per il moto traslazionale degli atomi. Riuscire a raggiungere temperature negative ha enormi conseguenze sia per gli aspetti teorici che pratici. Temperatura assoluta negativa significa che il sistema in studio assorbe entropia mentre rilascia energia dando vita a fenomeni controintuitivi, come macchine di Carnot con efficienza superiore a 1. In cosmologia, la spiegazione dell’esistenza dell’energia oscura necessita di temperature negative, ora raggiunte. Grazie a questo esperimento potranno inoltre essere studiati transizioni a nuovi isolanti, reticoli ottici, reticoli di Kagomé, sistemi con interazioni simmetriche che possano descrivere la cosiddetta superfluidità colorata, e la formazione di barioni usando itterbio 173.

Questo recente esperimento apre insomma le porte ad una nuova fisica e ad una nuova tecnologia, dando inoltre la spiegazione di fenomeni osservati e ancora non compresi a fondo, come la presenza di energia oscura nell’universo.

L’autore ringrazia Mara Chiricotto per aver suggerito l’ articolo (2).

[1] E. M. Purcell, R. V. Pound, Phys. Rev. 81,279 (1951)

[2] S. Braun, J. P. Ronzheimer, M. Schreiber, S. S. Hodgman, T. Rom, I. Bloch, U. Schneider, Science338, 52 (2013)