La stazione spaziale cinese raffredda atomi a 9,7 picokelvin, nuovo record di freddo

Una nube di atomi di rubidio a bordo della stazione spaziale cinese Tiangong è stata raffreddata a meno di dieci millesimi di miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto, la temperatura più bassa mai registrata per un gas di atomi. È circa quattro volte più fredda del miglior risultato ottenuto in precedenza, sulla Terra o in orbita.

Il record conta meno per il numero in sé che per ciò che permette di fare. A quel freddo, gli atomi si allontanano così lentamente che il team ha potuto osservare la nube per sette secondi dopo averla lasciata libera, una finestra temporale sufficiente per testare la gravità, il comportamento quantistico e forse la materia oscura con una precisione che nessun laboratorio terrestre può raggiungere.

Gli atomi hanno formato un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui migliaia di atomi perdono la loro individualità e si comportano come un’unica onda quantistica. Ricercatori dell’Università di Pechino, dello Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics e del Technology and Engineering Center for Space Utilization dell’Accademia Cinese delle Scienze hanno condotto l’esperimento nel rack di fisica degli atomi freddi del modulo laboratorio Mengtian della stazione, e ne hanno riferito sulla rivista Science.

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La nube conteneva 20.000 atomi di rubidio-87. La sua temperatura equivalente è risultata di 9,7 picokelvin, con un’incertezza compresa tra 7,0 e 12,9 picokelvin. Il valore più basso precedente per un sistema del genere era di 38 picokelvin, e il Cold Atom Lab della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale aveva raggiunto 52 picokelvin.

Come un laboratorio da dieci tonnellate è stato compresso in un rack della stazione

Raffreddare gli atomi significa rallentarli. Il team ha intrappolato il rubidio con fasci laser incrociati, una configurazione chiamata trappola ottica dipolare, quindi ha ridotto la potenza del laser passo dopo passo in modo che gli atomi più energetici potessero fuoriuscire. Questo è il raffreddamento per evaporazione, lo stesso principio che raffredda una tazza di caffè quando le molecole più calde scappano sotto forma di vapore.

In microgravità quel trucco funziona meno bene, perché gli atomi non si depositano più verso il fondo della trappola dove si trova la via di fuga. I ricercatori hanno aggiunto un debole gradiente magnetico per guidare l’evaporazione e ottenere un condensato. Una fase finale, una rapida espansione non adiabatica della trappola, ha poi rallentato ulteriormente gli atomi.

Ogni altro record di questo tipo ha utilizzato trappole magnetiche costruite su chip atomici. I laser sono più difficili da far funzionare in orbita, ma sono meno sensibili alle interferenze magnetiche, lasciano più spazio per l’accesso ottico e possono trattenere atomi che ignorano del tutto i campi magnetici. “La sfida ingegneristica è stata concentrare molteplici tecnologie all’avanguardia sotto i rigorosi requisiti aerospaziali”, ha dichiarato Li Tang, ricercatore dello Shanghai institute, secondo l’agenzia Xinhua.

La versione terrestre dell’esperimento occupa circa 20 metri cubi e pesa circa 10 tonnellate. Il rack di volo occupa 0,7 metri cubi e pesa mezza tonnellata, con il suo sistema di ultra-alto vuoto, laser a fibra ad alta potenza e ottiche a frequenza stabilizzata che funzionano automaticamente, entro stretti limiti di potenza.

Centinaia di miliardi di volte più freddo dello spazio profondo

Lo zero assoluto, meno 273,15 gradi Celsius, è il punto in cui il moto atomico si fermerebbe del tutto. Lo spazio vuoto non è così freddo: il debole bagliore residuo del Big Bang lo mantiene a circa 2,7 gradi sopra lo zero assoluto. Misurata sulla scala Kelvin, la nube di Tiangong era circa 280 miliardi di volte più fredda.

Il miglior risultato precedente, 38 picokelvin, proveniva da un team tedesco che aveva lasciato cadere un esperimento su chip atomico lungo la torre di caduta di Brema per ottenere alcuni secondi di assenza di peso. Le torri di caduta hanno un’altezza limitata. Una stazione orbitante è in caduta libera permanente, quindi l’esperimento può continuare finché gli atomi rimangono coerenti.

Il tempo di osservazione è dove il divario si allarga maggiormente. Gli esperimenti a terra possono seguire una nube rilasciata per circa 0,05 secondi prima che cada fuori dal campo visivo, la Stazione Spaziale Internazionale gestisce circa un secondo, e la stazione cinese ora raggiunge i sette, secondo il team. “Sulla Terra, cadrebbe per circa 250 metri, quindi si schianterebbe al suolo a meno che non si abbia una camera a vuoto alta 250 metri”, ha dichiarato Wolfgang Ketterle, il fisico del MIT che ha condiviso il Premio Nobel per la creazione dei condensati di Bose-Einstein, parlando con la CGTN cinese.

Cosa significa e cosa non significa la temperatura equivalente

I 9,7 picokelvin non sono una lettura termometrica. I ricercatori la deducono da quanto lentamente la nube si espande dopo il rilascio, convertendo quella velocità di espansione nella temperatura che un gas dovrebbe avere per muoversi così lentamente. Il valore descrive solo gli atomi: i ricercatori sottolineano che l’apparecchiatura e l’ambiente circostante non si sono mai avvicinati a quella temperatura.

La barra di errore è ampia, circa il 30 percento in più o in meno, e il risultato proviene da un’unica struttura e non è stato ancora riprodotto in modo indipendente. Anche i confronti con i record precedenti mescolano metodi: torri di caduta, chip magnetici e ora trappole laser raggiungono i loro numeri attraverso diversi metodi di intrappolamento e raffreddamento finale, quindi il divario è un’indicazione, non una classifica precisa.

La nube è anche piccola. Venti mila atomi sono sufficienti per un condensato pulito, ma gli strumenti di precisione guadagnano sensibilità da campioni più grandi. Se il sistema possa fornire sia più atomi che una lunga coerenza su base regolare è la domanda ingegneristica aperta.

Perché sette secondi contano più del record

Un interferometro atomico divide l’onda quantistica di ciascun atomo in due percorsi e li ricombina, trasformando minuscole differenze di accelerazione in un segnale misurabile. La sua sensibilità cresce con il quadrato del tempo che gli atomi trascorrono al suo interno. “Gli interferometri atomici traggono grande beneficio da sorgenti che forniscono un gran numero di atomi in un insieme ultrafreddo e lunghi tempi di osservazione”, ha dichiarato Ernst Rasel, fisico dell’Università Leibniz di Hannover, in commenti riportati dalla CGTN.

Tali strumenti potrebbero mappare il campo gravitazionale terrestre dall’orbita e testare se oggetti di diversa composizione cadano davvero alla stessa velocità, un pilastro della relatività di Einstein. Le trappole laser possono anche essere modellate in reticoli ottici, griglie di luce che trattengono gli atomi come un cristallo e permettono ai fisici di simulare materiali difficili da studiare direttamente. “Più a lungo possiamo osservare, più è probabile che troviamo fenomeni fisici nuovi e più deboli”, ha dichiarato Xiong Wei dell’Università di Pechino, co-primo autore dell’articolo, secondo Xinhua.

Domande comuni sulla temperatura più fredda mai registrata

Qual è la temperatura più fredda mai registrata?

Per un gas di atomi, la temperatura equivalente più bassa mai riportata finora è di 9,7 picokelvin, raggiunta a bordo della stazione spaziale cinese Tiangong. Si tratta di 9,7 millesimi di miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Il record precedente era di 38 picokelvin.

Cos’è un condensato di Bose-Einstein?

È uno stato della materia che si forma quando un gas di determinati atomi viene raffreddato vicino allo zero assoluto. Gli atomi cadono nello stesso stato quantistico e agiscono come un’unica onda, il che rende visibili gli effetti quantistici su una scala abbastanza grande da essere fotografata.

Perché gli esperimenti con atomi freddi funzionano meglio nello spazio?

Sulla Terra, la gravità trascina gli atomi fuori dalle trappole deboli e fa cadere una nube rilasciata in una frazione di secondo. In orbita, gli atomi galleggiano, quindi la trappola può essere resa più dolce, raffreddandoli ulteriormente, e la nube può essere osservata per diversi secondi.

Si può raggiungere lo zero assoluto?

No. Le leggi della termodinamica vietano di raggiungere esattamente zero Kelvin, quindi gli esperimenti possono solo avvicinarsi sempre di più. Ogni passo verso il basso diventa più difficile, motivo per cui passare da 38 a meno di 10 picokelvin è considerato un grande salto.

Un laboratorio orbitante aperto a team esterni

Il rack per atomi freddi è stato lanciato con il modulo Mengtian nel 2022, dopo un progetto i cui primi studi di fattibilità sono iniziati nel 2011, e il record è stato pubblicato online su Science il 5 novembre 2026. Rasel vede il prossimo passo negli interferometri in orbita che mantengono gli atomi coerentemente separati per diversi secondi. Lyu Congmin, capo progettista del sistema di applicazioni spaziali del programma spaziale con equipaggio cinese, ha dichiarato che il rack è aperto a scienziati di tutto il mondo che vogliono condurre i propri esperimenti su di esso.

Riferimento: Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Tag: fisica, fisica quantistica, Accademia Cinese delle Scienze, condensato di Bose-Einstein, Mengtian, Tiangong

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