La Criogenia e la barriera dello zero assoluto

Avete mai sentito parlare di "zero assoluto"? Esiste in natura la possibilità che la temperatura possa raggiungere tale valore? Cosa succede a livello della struttura della materia di un corpo quando raggiunge temperature di tipo criogenico? Il comportamento dei materiali a queste temperature è molto interessante e sfocia in applicazioni che vanno dalla fisica all'ingegneria. Un corpo di qualsiasi materiale a queste temperature è vero che può distruggersi in mille pezzi al minimo impatto con un altro corpo? Questi ed altri quesiti verranno affrontati in questo articolo, avvertirete un brivido criogenico lungo la vostra schiena!

La Criogenia

La Criogenia è una branca della fisica che studia, genera e utilizza temperature bassissime, appunto criogeniche, difficilmente riproducibili se non in laboratorio o nell'universo cosmico. Lo studio riguarda anche l'osservazione dei materiali stessi se portati a raggiungere tali temperature. Di norma ci troviamo sotto i -180 °C, in Kelvin circa 93,15 K, dove i gas permanenti mantengono tali i loro punti di ebollizione, mentre altri refrigeranti li hanno al di sopra. In molte applicazioni sperimentali la Criogenia viene utilizzata per diminuire il rumore generato dall'agitazione termica a livello microscopico, permettendo di far passare o rilevare meglio un segnale particolarmente debole. Ciò è necessario per il funzionamento di sensori ad alta precisione e soggetti naturalmente a rumore termico.

Per chi pensa di poter associare la Criogenia al concetto di Ibernazione o Crioconservazione di un corpo umano vuol dire che è un grande appassionato di fantascienza; oppure ha sentito parlare o letto articoli su quegli assidui sostenitori, le cui teorie possono essere smontate facilmente, che credono e vogliono far credere di poter ibernare un essere umano prima della morte cerebrale quando ormai sta negli ultimi istanti di vita, in modo tale che in un futuro non troppo lontano esso possa essere curato e riportato in vita. Questo è stato pensato ed utilizzato anche in numerosi film o racconti che trattano dei viaggi spazio-temporali. Ciò che si può al massimo conservare criogenicamente sono forse le strutture nervose di un corpo ormai morto, ma sempre entro un certo limite di temperatura per evitare eventuali danni permanenti alla struttura molecolare, per il resto sono solo ipotesi; forse giovano alla nostra speranza nel superare il problema della morte, ma credetemi ce ne sono ben altri di metodi per far si che la nostra esistenza divenga eterna e sono basati su ipotesi molto più solide dal punto di vista scientifico. La crioconservazione tuttavia è largamente utilizzata in medicina, si parla di "ipotermia preventiva", durante particolari operazioni di cardiochirurgia o neurochirurgia si procura nel paziente un abbassamento artificiale della temperatura corporea per ridurne i processi vitali. Oppure si conservano per tempi brevi gli organi destinati al trapianto a basse temperature ma sempre superiori al punto di congelamento. Anche gli spermatozoi (figura 1) e gli embrioni umani vengono crioconservati in azoto liquido, corpi con maggiori dimensioni non permettono tale approccio per motivi legati alla velocità di congelamento e scongelamento.

Crioconservazione

Figura 1: Esempio di conservazione di spermatozoi tramite crioconservazione

Lo zero assoluto

La struttura della materia teoricamente presenta un limite inferiore di temperatura che è pari a -273.15 °C. Questo è il famoso zero assoluto che nella scala Kelvin è proprio il valore 0 K. Quindi per passare dalla scala Celsius a quella Kelvin basta sottrarre alla temperatura espressa in °C un valore pari a 273.15 e sostituire l'unità di misura °C con K.

Allo zero assoluto il reticolo cristallino di un solido, le molecole, gli atomi, si ritroveranno tutti in uno stato detto "stato fondamentale" praticamente al più basso stato energetico possibile che di solito viene denominato E0. L'energia in questione è l'energia cinetica grazie alla quale gli atomi di un reticolo cristallino vibrano e si mantengono sopra lo zero assoluto, allo zero assoluto questa vibrazione, detta anche "oscillazione", viene a mancare e tutto si arresta.

Allo zero assoluto una piccola perturbazione potrebbe provocare uno sbalzo termico tale da mandare in frantumi il solido, di qualsiasi materiale esso sia fatto.

In fisica esiste l'Entropia la quale aumenta all'aumentare dell'energia cinetica e quindi della temperatura di un sistema, quindi per fare in modo che un corpo raggiunga lo zero assoluto bisogna fare lavoro. Fare lavoro in fisica vuol dire che bisogna spendere altra energia attraverso un apparato detto "sistema criogenico". Naturalmente l'entropia tende ad aumentare e non a diminuire, la fisica ce lo dimostra, quindi un corpo non abbasserà mai la sua temperatura soprattutto verso lo zero assoluto se non in contatto con un altro corpo o sistema. Ma lo zero assoluto in realtà può essere raggiunto?

Lo zero assoluto non può essere raggiunto utilizzando solo mezzi termodinamici, anche se sperimentalmente sono state raggiunte temperature molto vicine ad esso con tecniche molto sofisticate. Gli scienziati hanno raggiunto infatti temperature prossime allo zero assoluto, dove la materia mostra proprietà che normalmente non osserviamo direttamente. Ad esempio la superconduttività (figura 2), la superfluidità e la condensazione di Bose-Einstein. Lo studio dei fenomeni di transizione di fase della materia cerca di mettere a punto sistemi criogenici che consentano di raggiungere temperature sempre più basse e sempre più vicine allo zero assoluto. Allo zero assoluto lo stato di disordine molecolare (misurato dall'entropia del sistema) raggiunge il suo valore minimo, ciò deriva dal secondo principio della termodinamica che quindi vieta il raggiungimento di una temperatura pari a 0 K. Questa temperatura non è raggiungibile in nessuna parte dell'universo cosmico, questo, almeno per ora, è dimostrato teoricamente.

superconduttivita

Figura 2: Superconduttività: a temperature criogeniche estreme alcuni materiali annullano la loro resistenza Ohmica

La criogenia è applicata in molti campi tecnico-scientifici e quindi largamente applicata anche in Astrofisica dove i sistemi criogenici devono dare il massimo sia nel rendimento che nella stabilità permettendo così il raggiungimento di temperature che sfiorano lo zero assoluto. Vediamo in generale un metodo per poter ottenere questo.

Come generare temperature criogeniche

Il metodo più semplice per ora è mettere in contatto termico il sistema da raffreddare con un liquido a bassa temperatura di ebollizione. Un liquido avente tale caratteristica è detto "liquido criogenico". Riducendo poi la pressione di vapore in equilibrio con il liquido porta il liquido stesso a raggiungere temperature più basse di quella normale di ebollizione. A seconda del tipo di liquido criogenico adottato abbiamo risposte diverse, vedi Figura 3.

TP

Figura 3: Andamento della temperatura di alcuni liquidi criogenici in funzione della pressione satura

Dalla figura 3 possiamo notare che riducendo la pressione satura ad un millesimo di mmHg si ottiene la più bassa temperatura con l'³He liquido. Per ridurre la pressione bisogna applicare sofisticate tecniche da vuoto basate su particolari pompe meglio dette "criopompe". Si parte dal presupposto, quasi sempre verificato a temperature criogeniche, che la capacità termica del contenitore e di tutto il sistema a contatto con il bagno sia trascurabile rispetto alla capacità termica del liquido stesso. Per capacità termica si intende la capacità di trasferire calore da parte di un materiale, quindi in questo caso il contenitore deve essere costituito da un materiale capace di trasferire il meno possibile calore dall'esterno all'interno dove è presente il liquido criogenico e tutto il sistema criogenico attivo. Il pompaggio sul bagno di liquido criogenico provoca un notevole consumo aggiuntivo di liquido, che in parte evapora per raffreddare la quantità restante. La relazione per l'evaporazione di una massa infinitesima "dm" di liquido, in seguito al pompaggio è:

L(T)dm = mC(T)dT

dove L(T) è il calore latente di evaporazione alla temperatura T, mentre C(T) è il calore specifico del liquido. Integrando tale formula otteniamo la seguente relazione:

log(m/m0) = ∫ [C(T)/L(T)] dT

Il processo di pompaggio riduce la massa del liquido da ma m e la sua temperatura da T0 a T. Se il contenitore non fosse un particolare contenitore il liquido evaporerebbe istantaneamente annullando totalmente il processo di diminuzione della temperatura, quindi per far si che tutto vada a buon fine il contenitore deve essere un "Criostato" o Dewar ad evaporazione.

Criostato

Figura 4: Criostato utilizzato nell'esperimento MAD nel campo Astrofisico (Università Sapienza di Roma)

In passato ho partecipato all'esperimento MAD all'Università Sapienza di Roma, in questo esperimento il criostato in figura 4 è stato utilizzato nel sistema criogenico per il raggiungimento di una temperatura criogenica estremamente bassa: circa 0,3 K. Ci sono vari tipi di sistemi criogenici, i più utilizzati sono: a singolo stadio (un solo liquido criogenico), oppure a bi-stadio (due liquidi criogenici). Il secondo ha una maggiore stabilità e rendimento, ma richiede una più complessa implementazione rispetto al primo. Il criostato di figura 4 conteneva all'interno un sistema bi-stadio costituito da un circuito di 4He ed uno di 3He, il tutto contenuto all'interno di un contenitore immerso in un bagno di azoto liquido.

A seconda del tipo di lavoro in cui la criogenia deve essere applicata il sistema criogenico cambia completamente, il procedimento è sempre lo stesso, ma possono cambiare i liquidi applicati, le tecniche da vuoto, la tipologia di criostato, i materiali, i sistemi di isolamento termico, le temperature criogeniche da raggiungere e molti altri fattori teorici e tecnici per l'implementazione. Ad esempio nel campo astrofisico nel caso in cui si volessero rilevare segnali nella banda degli UV, nel visibile, o negli infrarossi si ha la necessità di raggiungere temperature assai diversificate nei loro minimi. Nei primi due casi basta un semplice sistema mono-stadio basato su un bagno di azoto liquido e pompato da una criopompa sino al raggiungimento di temperature pari a circa 77 K, nel caso dell'IR invece si va dai 77 K ai 4,2 K sino a temperature estremamente basse di circa 0,3-0,1 K, vedi figura 5.

Funz_Riv_Temp

Figura 5: Energia dei fotoni in funzione della lunghezza d'onda con relative temperature necessarie alla rilevazione del segnale.

Come si può vedere dalla figura 5 per alcuni segnali (fotoni) aventi una certa lunghezza d'onda, le temperature necessarie sono praticamente molto vicine allo zero assoluto. Ma perché siamo costretti a raggiungere queste temperature estreme, perché la criogenia deve spingersi al massimo delle sue capacità? Tutto dipende dai rivelatori utilizzati durante gli esperimenti in atto e dalla intensità del segnale da rilevare.

Perché è necessaria la criogenia?

Per la rilevazione di segnali a bassa intensità come ad esempio quello di un fotone proveniente dalla radiazione di fondo cosmico (CMBR), la criogenia è fondamentale. Alcune parti dell'apparato di rivelazione vanno portate a temperature vicine allo zero assoluto, ciò è inevitabile sia per il corretto funzionamento che per raggiungere il massimo rendimento possibile. La sensibilità, durante il rilevamento di un segnale, va ottimizzata il più possibile durante l'acquisizione dati. Per ottenere ciò va, prima di tutto, fatto in modo che il sistema sia isolato da eventuali infiltrazioni di calore dall'esterno. Successivamente, un'altra parte da non trascurare nel progetto è la riduzione del rumore termico. Di rumori che possano disturbare il segnale ce ne sono di molti tipi, ma grazie alla criogenia possiamo ridurre tantissimo quello di tipo termico. L'energia di vibrazione che gli atomi o le molecole di un materiale hanno a temperatura ambiente può disturbare il segnale, un altro rumore termico può derivare dalle cosiddette correnti di buio oppure anche da possibili passaggi di calore per conduzione, per convezione o in modo radiativo. La criogenia e una buona tecnica da vuoto ci vengono in soccorso riducendo di molti ordini di grandezza questo tipo di rumore permettendo la rilevazione del segnale, altrimenti impossibile.

Applicazione su rivelatori bolometrici

Nel campo astrofisico o particellare, dove i segnali sono spesso molto deboli, il rendimento della criogenia deve essere efficiente a tutti i costi, ad esempio il segnale proveniente dalla CMBR viene rilevato in esperimenti dove il sistema sensoriale è costituito da array di bolometri. I bolometri sono dei sensori molto delicati che se non portati a temperature criogeniche, essi non funzionano. Il loro funzionamento dipende totalmente dal sistema criogenico applicato.

bolometrico

Figura 6: Esempio di array bolometrico (esperimento CUORE)

In figura 6 un esempio di array bolometrico dell'esperimento CUORE, questo array è costituito da 62 bolometri in TeO2 e lavora ad una temperatura di circa 10 mK. In astrofisica gli array bolometrici sono molto utilizzati e ce ne sono di tantissime tipologie a seconda della sensibilità che si vuole raggiungere, delle possibilità di implementazione ed economiche e a seconda del tipo di esperimento. A temperatura ambiente se il rivelatore viene attivato non produce risultati e i dati acquisiti presentano solamente rumore di segnale. Abbassando la temperatura il più possibile vicino allo zero assoluto, il segnale da rilevare comincia ad emergere sino ad essere a volte abbastanza chiaro. I bolometri funzionano a temperature criogeniche estreme e la loro sensibilità è eccezionale rispetto ad altri dispositivi, hanno comunque durata limitata perché molto delicati e bisogna sempre apportare controlli continui e una manutenzione accurata.

I bolometri sono una tipologia di rivelatori, ma altri sistemi di rilevamento di segnale hanno bisogno della criogenia, ad esempio alcuni sistemi montati su satellite basati su gas criogenici allo stato solido. Questi sistemi hanno una maggiore stabilità nel tempo, sono più duraturi e il loro rendimento è ottimo, ma presentano difficoltà nella gestione e manutenzione che per i satelliti è normale.

Possiamo scendere sotto lo zero assoluto?

La temperatura più bassa mai ottenuta è stata di 450 pK grazie a Wolfgang Ketterle & C del Massachusetts Institute of Technology. Il punto più freddo del cosmo è stato riconosciuto nella nebuolsa Boomerang (a 5000 a. l. da noi) che mostra una temperatura di circa 1K.  Alcuni esperimenti astrofisici hanno raggiunto anche temperature dell'ordine dello 0.1 mK. Ma possiamo scendere sotto lo zero assoluto?

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Figura 7: Distribuzione di Boltzmann: temperature positive a sinistra tipiche della vita di tutti i giorni, negative a destra (Fonte: quantum-munich.de)

In figura 7 abbiamo una illustrazione del superamento della barriera dello zero assoluto dovuto ai ricercatori dell'Università Ludwig Maximilians di Monaco di Baviera e dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica. Con un gas particolare hanno raggiunto temperature negative dell'ordine circa di -1 pK. La scoperta potrebbe portare a grandi rivoluzioni applicative. Sono riusciti a condensare e a cambiare il segno dell’interazione tra atomi di potassio-39 con un campo magnetico, con questo metodo i fisici tedeschi hanno raggiunto l’ambizioso traguardo. Questi risultati comunque hanno ancora bisogno di conferme scientifiche: scendere al di sotto dello zero assoluto a temperature che sono così minime trasmette perplessità e mette in evidenza l'estrema difficoltà che ancora abbiamo nel gestire sistemi criogenici legati alla quantistica.

 

 

Approfittane ora!

Una risposta

  1. Maurizio Maurizio 11 Marzo 2020

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