Un frigorifero quantistico

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.

Fumetto e Macchina

Questa striscia è presa da uno dei capitoli finali del manga "Hellsing", di Kouta Hirano. La storia trattata in questa opera è un divertissement completamente sopra le righe, riassumibile nella domanda "Cosa succederebbe se Dracula, la Santa Inquisizione e un battaglione di vampiri nazisti delle SS si dessero battaglia nel bel mezzo di Londra"? In questa scena compare un primo piano del principale antagonista della serie, il Maggiore delle SS che ha orchestrato l'intero avvenimento. In essa, l'ultimo tassello del suo piano giunge a conclusione: dopo essere riuscito nell'impossibile, eliminare Dracula, egli trova finalmente la morte in battaglia che aspettava da oltre sessant'anni. Sebbene il metodo con cui elimini il grande vampiro meriterebbe un'analisi a parte per il connubio di genialità ed idiozia mostrate dall'autore, ci occuperemo qui di un dettaglio che emerge in questa scena: ovvero, che il Maggiore, per l'intera durata della storia, non è mai stato un essere umano: nel momento in cui la parte sinistra del suo corpo viene distrutta, vengono rivelate per la prima volta i circuiti e le componenti meccaniche di un androide.
 La rivelazione è molto importante ai fini di una delle tematiche del manga, ovvero come solo dei veri esseri umani siano in grado di eliminare i mostri. Questo concetto viene ribadito più volte da Dracula durante la storia, quando spiega perché nessuno degli altri mostri presenti nel manga - incluso il "Mostro Divino" creato dalla Santa Inquisizione dal Chiodo di Santa Elena - sia stato in grado di fare quello che un semplice umano, il professor van Helsing, aveva fatto cento anni prima dell'inizio della storia: sconfiggerlo, e soggiogarlo. In questa scena, e nelle tavole immediatamente precedenti, il Maggiore si confronta con questo paradosso: come può lui, che non possiede più una singola cellula vivente nel suo corpo, essere riuscito in quello in cui ogni altro personaggio aveva fallito?
Il Maggiore dà questa risposta a se stesso e ad Integra van Hellsing, l'ultima discendente del celebre professore, nonché la donna che lo ha appena ucciso: il fatto di non essere più un essere vivente non conta. Ciò che, secondo lui, crea il vero essere umano è il rifiuto di ritenere le proprie risorse non sufficienti per qualunque compito si debba affrontare, il rifiuto di assoggettarsi ad un potere superiore od esterno per far fronte alle proprie manchevolezze. Per questo il Maggiore, che nonostante la conversione ad androide ha rifiutato di correggere qualunque difetto avesse quando era ancora un essere umano - essere sovrappeso, avere una pessima mira, in generale essere una persona fisicamente normale o addirittura sotto la media - sfruttando solamente la propria intelligenza e la propria determinazione è riuscito a distruggere il mostro che nessun altro potere sovrannaturale era riuscito ad intaccare.

Musica e Macchina

Ayreon è un progetto musicale progressive metal del cantante e polistrumentista olandese Arjen Anthony Lucassen. Come molti degli album di questo progetto, 01011001 è una rock opera con personaggi, trama e un tema centrale che viene analizzato all'interno dell'album. Ogni personaggio viene interpretato da un diverso cantante ospite, caratteristica questa che accomuna tutta la produzione di Ayreon. Il tema di questo album, il cui nome in codice binario è associato al codice ASCII per la lettera "Y", è la condizione di dipendenza dalle macchine generata dal proprio stesso avanzamento tecnologico. 

La trama è un esercizio piuttosto semplice di genere fantascientifico: una antica ed estremamente evoluta razza aliena, proveniente dall'omonimo pianeta "Y", grazie al proprio avanzamento tecnologico è riuscita ad eliminare ogni propria debolezza mortale, e vive in uno stato al contempo semidivino e di completa dipendenza dalle loro stesse conquiste tecnologiche. Col tempo, membri di questa razza iniziano a sviluppare una ennui esistenziale nei confronti della loro stessa condizione priva di sfide e stimoli, e desiderano assaporare nuovamente le condizioni di una razza non tecnologicamente evoluta.

Per fare questo, disseminano del proprio DNA una cometa in rotta di collisione con il pianeta Terra, per far sì che le forme di vita sul pianeta ne vengano contaminate e che questo consenta alle loro tecnologie di controllarne lo sviluppo. Il pezzo musicale collegato a questo post si situa in questo punto della storia, dove vari membri della razza aliena discutono se sia o meno lecito per loro portare all'estinzione buona parte delle forme di vita terrestri del periodo. Tenendo conto che questo momento è situato nel tardo Cretaceo della storia della Terra, la risposta che danno è ovviamente positiva.

Spostamento in avanti di sessantacinque milioni di anni, il DNA della razza di "Y" è stato integrato con le forme di vita terrestri, e gli esseri umani si sono sviluppati. Collegati a distanza grazie al mescolamento genetico, i membri della razza di "Y" possono tornare a sperimentare la condizione pre-tecnologica tramite le esperienze dei primi Homo Sapiens, e ne accelerano lo sviluppo per poter assaporarle più pienamente grazie ad un miglioramento delle loro facoltà fisiche e mentali. Ed è a questo punto che il loro piano inizia a disgregarsi, quando gli umani prendono a sviluppare le stesse tecnologie - e le stesse dipendenze da esse - della razza di "Y". L'album si chiude mentre la razza di "Y" osserva inorridita l'essere umano creare - ed usare - le armi termonucleari, e il dibattito fra loro si riapre se debbano intervenire pesantemente nello sviluppo umano, o se convenga loro che gli umani si autodistruggano e la razza di "Y" possa iniziare un nuovo ciclo della vita sul pianeta Terra.

Una presentazione.

Salve a tutti,

mi chiamo Erik Piatti, e sono un dottorando in Fisica della Materia presso il Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia del Politecnico di Torino. Il mio campo di studi verte sull'effetto di campo tramite gate elettrochimico su materiali bidimensionali a temperature criogeniche. Vale a dire, mi occupo di studiare le proprietà di dispositivi di tipo transistor realizzati in materiali esotici ed innovativi come il grafene, il disolfuro di molibdeno, e il seleniuro/tellururo di ferro sotto l'influenza di enormi campi elettrici con l'obiettivo di indurre e/o modificarne le caratteristiche superconduttive.

All'interno di questo corso di Epistemologia della Macchina, è mia intenzione leggere la originale Trilogia delle Fondazioni di Isaac Asimov, e presentare come il tema della transizione di fase venga affrontato all'interno della narrativa.