Sotto un groviglio di tubi, tubi, manometri, piastre metalliche, pompe e nastro adesivo si trova un luogo più freddo dello spazio esterno. Lavorando in questo ambiente di caos organizzato, il team Quantum Matter del Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge sta iniziando a svelare le proprietà quantistiche esotiche dei materiali super freddi in un frigorifero delle dimensioni di un SUV.
Poiché gli esseri umani possono facilmente percepire la differenza tra caldo e freddo, la temperatura è una caratteristica della scienza su cui le persone hanno una comprensione abbastanza intuitiva. Ma ciò che le persone sperimentano realmente quando distinguono il caldo dal freddo è la quantità di energia termica contenuta in un sistema: un cono gelato, ad esempio, contiene meno energia termica di una ciotola di zuppa calda. E poiché questa energia proviene dal movimento di atomi e molecole all’interno di una sostanza, significa che le molecole della zuppa si muovono più di quelle del gelato.
Il team dell’Università di Cambridge, tuttavia, monitora l’energia a un livello più estremo mentre cerca di avvicinarsi allo zero assoluto, la temperatura più fredda consentita dalle leggi della termodinamica. Lo zero assoluto, tecnicamente noto come zero kelvin, è uguale a -273,15 gradi Celsius o -459,67 Fahrenheit e segna il punto sul termometro in cui un sistema raggiunge la sua energia più bassa possibile, o movimento termico.
C’è un problema, però: lo zero assoluto è impossibile da raggiungere. Il motivo ha a che fare con la quantità di lavoro necessaria per rimuovere il calore da una sostanza, che aumenta notevolmente quanto più freddo si tenta di andare. Per raggiungere zero kelvin, è necessaria una quantità infinita di lavoro. E anche se potessi arrivarci, la meccanica quantistica impone che gli atomi e le molecole avrebbero ancora un movimento irriducibile.
La meccanica quantistica significa anche che più questi ricercatori si avvicinano allo zero assoluto, più strane diventano le proprietà di una sostanza. A temperature sufficientemente basse, l’elio liquido, ad esempio, si trasforma in un superfluido, un liquido che scorre senza la resistenza dell’attrito. Di conseguenza, può fluire spontaneamente verso l’alto e fuori da un contenitore; filtrare attraverso fessure sottili come molecole; rimanere perfettamente fermi durante la rotazione ad alta velocità; e – cosa più sorprendente per i fisici – si fondono in un “superatomo”, noto come condensato di Bose-Einstein. Lavorando a circa 1-10 millikelvin, o millesimi di kelvin, il team di Cavendish sta esaminando una varietà di di altri materiali che mostrano anche un comportamento quantistico funky. E la tecnologia che il gruppo utilizza per raggiungere temperature così gelide è complicata quasi quanto il comportamento che sta cercando di indurre.
Il viaggio verso lo zero assoluto è iniziato all’inizio Nel 1700, quando Guillaume Amontons sosteneva che se la temperatura è la misura del calore in un sistema, allora deve esserci una temperatura più bassa possibile. Eppure fu solo due secoli dopo che la teoria di Amontons avrebbe trovato il suo posto nella sperimentazione. Heike Kamerlingh Onnes ei suoi colleghi hanno gareggiato contro altri in tutto il mondo per sviluppare tecniche per fluidificare l’elio. Dopo molti tentativi falliti, ci sono riusciti, e dice Dirk van Delft, direttore del Museum Boerhaave, la Nationa olandese l Museum for the History of Science and Medicine, “Leiden divenne per breve tempo il luogo più freddo della Terra”.
Il successo di Onnes alla fine arrivò grazie a una delle prime forme di refrigerazione ad alta potenza. Come i frigoriferi di tutti i giorni, il sistema di raffreddamento nel laboratorio di Onnes e ora nei laboratori di tutto il mondo funziona a ciclo. Il processo di raffreddamento è simile a quello che accade quando soffi su una tazza di caffè calda per raffreddarla. Mentre la persona soffia, le molecole di caffè più caotiche e più veloci sono incoraggiate ad evaporare e, quindi, ad allontanarsi dalla tazza. Le molecole lasciate si muovono in media più lentamente, rendendo il caffè una temperatura più bevibile. A differenza dei frigoriferi di tutti i giorni che utilizzano il vapore dall’interno del frigorifero, tuttavia, Onnes utilizza l’elio allo stato gassoso e l’idrogeno e l’ossigeno allo stato liquido per ottenere basse temperature.
Facendo circolare l’elio gassoso attraverso una camera bagnata da aria e idrogeno liquido freddo, il gruppo di Onnes raggiunse con successo una temperatura alla quale il valore di una piccola tazza da tè di elio poteva liquefarsi. In tal modo, il calore in eccesso dallo stato gassoso si dissipò e il sistema raggiunse una temperatura di soli sei
kelvin sopra lo zero assoluto, il tentativo più vicino del suo tempo. Questa ricerca vinse Onnes il Premio Nobel nel 1913. Scoprì anche accidentalmente la superconduttività, la capacità di una sostanza di trasportare corrente elettrica senza resistenza. Questa proprietà rende possibili, tra le altre cose, i potenti magneti superconduttori utilizzati nei rivelatori MRI di oggi e negli acceleratori di particelle giganti.
I migliori sistemi di refrigerazione al mondo oggi si basano sul lavoro originale di Onnes, ma ora possono raggiungere pochi millikelvin, utilizzando due diversi isotopi di elio. A differenza della maggior parte dei liquidi, che congelano e si trasformano in un solido a un certo punto di temperatura, l’elio rimane liquido fino allo zero assoluto. Poiché i suoi atomi sono così leggeri a queste temperature, l’elio è debolmente attratto da altri atomi di elio in modo tale che si blocchino in un sussulto persistente, noto come moto del punto zero, un effetto quantistico definito dal principio di indeterminazione di Heisenberg.
Operando in quello che è essenzialmente un circuito chiuso, l’elio agisce quasi esattamente come quelle molecole di caffè disordinate nella tua tazza e dissipa il calore in eccesso nell’ambiente mentre circola. Quando l’isotopo di elio-3 migra verso l’isotopo di elio-4 a causa dell’attrazione e delle differenze di pressione causate dall’apparato frigorifero, assorbe calore e raffredda l’intero sistema fino al livello di millikelvin.
Il laboratorio Cambridge utilizza questo tipo di frigorifero per ispezionare diversi tipi di materiali e proprietà dei materiali. Forse il più sorprendente di loro è il germanuro di ferro, YFe2Ge2. A basse temperature, questo materiale a base di ferro si contorce in un superconduttore. “La scoperta più sorprendente è davvero l’esistenza di YFe2Ge2 come superconduttore”, afferma Keiron Murphy, uno studente di dottorato nel Cambridge Quantum Matter group.
Il ferro, spiega, in genere distrugge qualsiasi proprietà superconduttrice in un materiale , indipendentemente dalla temperatura, a causa della natura magnetica del ferro. La superconduttività ha molte applicazioni in scienza, medicina e informatica e ogni nuovo superconduttore può aiutare a promuovere una nuova tecnologia. Grazie al lavoro di questo laboratorio, YFe2Ge2 è ora considerato un materiale di riferimento per lo studio della superconduttività in composti con una struttura di ferro simile.
Sfortunatamente, afferma Murphy, gli stati quantistici sono “intrinsecamente fragili” e una parte sostanziale delle proprietà interessanti che sorgono naturalmente in alcuni materiali sono “sopraffatte dalle vibrazioni a temperature più elevate . ” Operando a solo da 1 a 10 millikelvin, il gruppo Quantum Matter può eseguire misurazioni a queste temperature per diversi mesi. Ma il gruppo sta attualmente sviluppando un altro frigorifero più efficiente in grado di sostenere queste basse temperature più a lungo.
Con questo nuovo frigorifero, il team esaminerà altri materiali a base di ferro a basse temperature per periodi di tempo prolungati e continuerà a lavorare con materiali noti come semimetalli topologici, come ZrSiS. Il comportamento magnetico a bassa temperatura dei semimetalli topologici è in gran parte un mistero, poiché le loro proprietà sono dominate dalla loro topologia (o dalla disposizione delle sue parti), non dai loro elementi costitutivi. E il team di Cambridge è pronto a portare alla luce i loro enigmi una volta che il nuovo frigorifero sarà installato e funzionante.
Strane proprietà fisiche prosperano agli estremi della bassa temperatura e le implicazioni di queste bizzarre qualità sono apparentemente illimitate. Tecniche di super raffreddamento come il quelli utilizzati nella refrigerazione per diluizione sono fondamentali per un’ampia gamma di discipline: ricerca sulle onde gravitazionali, superconduttività, spintronica, calcolo quantistico e altre tecnologie emergenti. Alleviando le sollecitazioni ad alta temperatura, il lavoro allo zero assoluto è fondamentale per comprendere e scoprire molte incognite sia nella meccanica quantistica che nella fisica in generale.
“A queste temperature, abbiamo accesso a un mondo di fenomeni esotici e i materiali che una volta erano ordinari diventano straordinari”, afferma Murphy.