In questo post parlerò di uno degli elementi fondamentali per il mio lavoro, ossia un esempio delle macchine che vengono utilizzate per raggiungere temperature criogeniche. Una prima domanda che potrebbe sorgere è la seguente: perché sono necessarie temperature criogeniche - pochi gradi o frazioni di grado al di sopra dello zero assoluto - per fare questo tipo di ricerca? Il motivo è piuttosto semplice: a parte casi rarissimi, le manifestazioni più esotiche che le leggi della meccanica quantistica hanno sulla materia sono estremamente fragili. Così fragili che persino le piccole vibrazioni dovute alla temperatura in un solido possono distruggerle completamente. Di conseguenza, raffreddare i campioni di studio diventa un requisito essenziale quando si voglia andare a far emergere le bizzarrie dell'oggetto cui si è interessati.
Detto questo, andrò ora ad esaminare il funzionamento di uno delle macchine di refrigerazione più potenti nell'ambito della materia condensata - un nome elegante per definire, fondamentalmente, i materiali allo stato solido. Esistono macchine in grado di raffreddare ulteriormente la materia, portandola a milionesimi o miliardesimi di grado al di sopra dello zero assoluto, ma tipicamente o non sono in gradi di raffreddare tutte le componenti dell'oggetto, oppure operano esclusivamente su gas estremamente rarefatti di atomi ben precisi. La macchina di cui vi parlerò è il cosiddetto criostato a diluizione.
Questa in foto è la testa fredda della macchina, ovvero la parte che fa effettivamente raggiungere al campione la temperatura designata. Il campione che viene raffreddato di solito ha le dimensioni di una delle vostre falangi, mentre l'intera struttura della macchina ha all'incirca le dimensioni di un grosso frigorifero casalingo, se il vostro frigorifero avesse bisogno di due bombole del gas per poter funzionare. E se buona parte del vostro frigorifero fosse costituita da varie bottiglie, una dentro l'altra, a cui interno venga fatto il vuoto per impedire lo scambio di calore con l'esterno.
Il principio di funzionamento della macchina? Sorprendentemente semplice. Un tubo "ad U" nella zona centrale della macchina viene riempito di elio liquido, cosa che già gli permette di raffreddarsi fino a 4.2 gradi al di sopra dello zero assoluto. Ma questo è solo l'inizio: un criostato a diluizione è in grado di raffreddare un oggetto fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. E questo grazie al fatto che l'elio liquido di cui viene riempito il tubo non è normale elio, ma una miscela in cui la percentuale dell'isotopo-3 dell'elio è artificialmente alta. Le due estremità del tubo vengono poi collegate tramite una pompa, che risucchia vapori di elio da un lato del tubo e li reimmette dal lato opposto, così:
Ora, i punti cruciali sono due: primo, l'isotopo-3 dell'elio è del 25% più leggero del suo isotopo-4, quello più comune. Questo comporta che, in generale, l'elio-3 tenderà a "galleggiare" sul suo cugino più pesante, ed ad evaporare molto più facilmente. Quando il pompaggio comincia, allora, quello che succede è che a tutti gli effetti l'elio-3 viene distillato dalla mistura: evaporando più facilmente sul lato destro, saranno per la maggior parte i suoi vapori ad essere estratti e ricondensati nel lato sinistro, producendo una zona di elio-3 puro in sospensione sopra l'elio-4. Il secondo punto cruciale è che la separazione fra i due liquidi non è perfetta: a causa del moto di punto zero quantistico più pronunciato per il più leggero elio-3, quest'ultimo è in grado di diffondere all'interno dell'elio-4 fino ad una concentrazione di circa il 6%. Quindi, quando l'elio-3 viene "tolto" dalla sommità destra del tubo, il resto dell'elio-3 in soluzione può spostarsi per prenderne il posto. Questo a sua volta lascia del "posto" per parte dell'elio-3 puro alla sommità sinistra per sciogliersi nell'elio-4.
E qui sta il punto fondamentale: esattamente come quando un ghiacciolo che fonda assorbe calore dall'ambiente esterno per poter aumentare la propria entropia - il proprio grado di disordine - e così diventare liquido, così fa l'elio-3 quando forzatamente viene costretto a sciogliersi nel bagno di elio-4: assorbe calore dall'ambiente esterno, che in questo caso è composto da due elementi solamente: il criostato stesso, e il campione sotto studio. Fintanto che il ciclo è mantenuto attivo, ovvero la pompa è in funzione e all'elio non è permesso di sfuggire al tubo di raffreddamento, l'elio-3 costretto a sciogliersi in elio-4 continua ad assorbire calore, ed ad abbassare la temperatura dell'ambiente circostante.
E permettendo quindi di esplorare una vastissima gamma di fenomeni esotici che rimarrebbero altrimenti nascosti fino a quando l'intero universo non sarà congelato fino a quelle bassissime temperature.
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