PER TROVARNE UN PO' degli oggetti più freddi dell'universo, non devi andare molto oltre la tua università locale. Lì, un fisico potrebbe utilizzare luce laser e magneti per raffreddare gli atomi al di sotto della sorprendente temperatura di -450 Fahrenheit. Potrebbero usare questi atomi ultrafreddi per percepire anche i campi magnetici più deboli nella stanza o per costruire un orologio preciso entro un quadrilionesimo di secondo. Ma probabilmente non potrebbero portare questi sensori o orologi fuori dal loro laboratorio, poiché tendono ad essere grandi e fragili.

Ora, un team di fisici dell’Università di Nottingham ha dimostrato che la stampa 3D di parti per questi esperimenti quantistici ultrafreddi consente loro di ridurre il loro apparato solo a un terzo delle sue dimensioni normali. Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista  Physical Review X Quantum  in agosto, potrebbe aprire la porta a un modo più rapido e accessibile per realizzare configurazioni più piccole, più stabili e personalizzate per gli esperimenti.

Poiché obbediscono alle regole della meccanica quantistica, gli atomi estremamente freddi mostrano comportamenti nuovi e utili. "Gli atomi ultrafreddi sono una tecnologia chiave utilizzata in molti strumenti di precisione diversi", afferma John Kitching, fisico del National Institute of Standards and Technology che non è stato coinvolto nello studio.

“Gli atomi ultrafreddi sono eccellenti sensori del tempo. Sono ottimi sensori di quelle che chiamiamo forze inerziali, quindi accelerazione e rotazione. Sono ottimi sensori di campi magnetici. E sono ottimi sensori del vuoto», aggiunge il collega Stephen Eckel, anche lui non coinvolto nel lavoro.

Di conseguenza, i fisici hanno cercato a lungo di utilizzare dispositivi atomici ultrafreddi in contesti che vanno  dall’esplorazione spaziale , dove potrebbero aiutare nella navigazione rilevando i cambiamenti nell’accelerazione di un veicolo, all’idrologia, dove potrebbero individuare l’acqua sotterranea rilevando la sua attrazione gravitazionale in superficie. Tuttavia, il processo per rendere gli atomi abbastanza freddi da poter svolgere uno qualsiasi di questi compiti è spesso complesso e arduo. "Avendo trascorso molto tempo come sperimentatore sugli atomi freddi, sono sempre molto frustrato dal fatto che passiamo tutto il nostro tempo a risolvere problemi tecnici", afferma Nathan Cooper, fisico dell'Università di Nottingham e uno dei coautori dello studio.

La chiave per raffreddare e controllare gli atomi è colpirli con una luce laser finemente sintonizzata. Gli atomi caldi sfrecciano a velocità di centinaia di chilometri all’ora, mentre  gli atomi estremamente freddi  restano quasi fermi . I fisici si assicurano che ogni volta che un atomo caldo viene colpito da un raggio laser, la luce lo colpisce in modo tale che l'atomo perde energia, rallenta e diventa più freddo. Di solito, lavorano su un tavolo di 1,5 x 2,4 metri coperto da un labirinto di specchi e lenti (componenti ottici) che guidano e manipolano la luce mentre viaggia verso milioni di atomi, spesso rubidio o sodio, che sono conservati in uno speciale camera ad altissimo vuoto. Per controllare dove si trovano tutti gli atomi ultrafreddi in questa camera, i fisici usano i magneti; i loro campi agiscono come recinti.

Rispetto agli acceleratori di particelle lunghi chilometri o ai grandi telescopi, questi apparati sperimentali sono piccoli. Tuttavia, sono troppo grandi e fragili per diventare dispositivi commerciabili da utilizzare al di fuori dei laboratori accademici. I fisici spesso trascorrono mesi ad allineare ogni piccolo elemento nei loro labirinti ottici. Anche una piccola scossa agli specchi e alle lenti, cosa che è probabile che accada sul campo, significherebbe notevoli ritardi nel lavoro. "Quello che volevamo provare a fare è costruire qualcosa che sia molto veloce da realizzare e che, si spera, funzioni in modo affidabile", afferma Cooper. Quindi lui e i suoi collaboratori si sono rivolti alla stampa 3D.

L'esperimento del team di Nottingham non occupa un intero tavolo: ha un volume di 0,15 metri cubi, il che lo rende leggermente più grande di una pila di 10 grandi scatole di pizza. “È molto, molto piccolo. Abbiamo ridotto le dimensioni di circa il 70% rispetto a una configurazione convenzionale", afferma Somaya Madkhaly, studentessa laureata a Nottingham e prima autrice dello studio. Per costruirlo, lei e i suoi colleghi si sono impegnati in qualcosa di simile a un gioco di Lego molto personalizzabile. Invece di acquistare parti, hanno assemblato la loro configurazione da blocchi che hanno stampato in 3D per avere la forma esattamente come volevano.

È importante sottolineare che la configurazione miniaturizzata ha funzionato. Il team ha caricato 200 milioni di atomi di rubidio nella camera a vuoto e ha fatto passare la luce laser attraverso tutti i componenti ottici, facendo collidere la luce con gli atomi. Gli atomi formavano un campione più freddo di -450 Fahrenheit, esattamente come hanno fatto gli scienziati con il tipo più convenzionale di apparati negli ultimi 30 anni.

“Penso che costruire un sistema di atomi freddi come questo sia un passo enorme. In precedenza, solo i singoli componenti venivano stampati in 3D”, afferma Aline Dinkelaker, fisica dell’Istituto Leibniz di Astrofisica di Potsdam, non coinvolta nello studio. Se gli esperimenti precedenti erano come acquistare uno speciale kit Lego che consente di costruire un'astronave preprogettata, l'approccio del team di Nottingham è stato più simile a progettare prima l'astronave, quindi stampare in 3D i blocchi che la compongono.

Un grande vantaggio dell’utilizzo della stampa 3D è che puoi progettare su misura ogni componente, osserva Dinkelaker. “A volte hai solo un piccolo componente dalla forma strana o uno spazio dalla forma strana. In questo caso, la stampa 3D può essere un’ottima soluzione”, afferma.

Lucia Hackermuller, un'altra coautrice dello studio, afferma che realizzare ogni pezzo secondo le proprie specifiche ha permesso loro di ottimizzare. "Vogliamo avere la migliore progettazione possibile e il problema è che normalmente abbiamo vincoli di costruzione", afferma. “Ma se usi metodi di stampa 3D, puoi praticamente stampare qualsiasi cosa ti venga in mente”. Come parte di questo processo di ottimizzazione, il team ha utilizzato un algoritmo informatico sviluppato per trovare il posizionamento migliore per i propri magneti. Hanno anche lavorato su circa 10 iterazioni dei loro componenti stampati in 3D fino a quando non li hanno completamente perfezionati.

Il nuovo studio rappresenta un passo avanti nel rendere questo strumento per la ricerca sulla fisica fondamentale più conveniente e accessibile. “Spero che questo accelererà – e anche in una certa misura democratizzerà – gli esperimenti standard sugli atomi ultrafreddi rendendoli più economici e molto più veloci da realizzare”, afferma Cooper. Secondo lui, se rimanesse bloccato su un’isola deserta con solo alcune lenti e specchi, atomi di rubidio e una stampante 3D, potrebbe passare da zero a un dispositivo perfettamente funzionante in circa un mese, cinque o sei volte più velocemente del solito. Per Madkhaly, ripartire da zero potrebbe non essere solo uno scenario immaginario. Dopo la laurea, dice, potrebbe tornare nel suo paese d’origine, l’Arabia Saudita, e utilizzare la stampa 3D per avviare una nuova ricerca sugli atomi ultrafreddi. "Questo è un campo molto nuovo lì", aggiunge.

Kitching prevede che questi strumenti vengano utilizzati anche al di fuori del mondo accademico, ad esempio da aziende che producono sensori a energia quantistica che rilevano campi magnetici o gravitazionali. Queste aziende potrebbero non impiegare scienziati esperti in fisica quantistica, ma ciò non avrebbe importanza. Li immagina allestire catene di montaggio su cui i tecnici assemblerebbero i dispositivi da componenti stampati in 3D. E se questi dispositivi fossero sufficientemente stabili da funzionare senza continue regolazioni, i dipendenti potrebbero comunque utilizzarli con sicurezza.

I dispositivi atomici ultrafreddi commerciali potrebbero, ad esempio, essere utilizzati da ingegneri civili, compagnie petrolifere e del gas, archeologi o vulcanologi per mappare meglio il terreno sotterraneo, basandosi sull'estrema sensibilità degli atomi alla gravità. Gli atomi ultrafreddi potrebbero anche rivelarsi un ingrediente cruciale per gli strumenti di navigazione che funzionano anche quando  i satelliti GPS  sono fuori portata. Gli orologi atomici ultrafreddi potrebbero essere utilizzati per sincronizzare le reti di trasporto o di telecomunicazione o per proteggere le transazioni finanziarie in situazioni in cui ogni scambio o scambio richiede un timestamp molto preciso.

Hackermueller e i suoi colleghi intendono continuare a ottimizzare anche la configurazione esistente. “Pensiamo di non aver ancora sfruttato appieno tutte le funzionalità della stampa 3D. Ciò significa che la nostra struttura potrebbe essere ancora più piccola", afferma: pensano che potrebbero arrivare a quasi la metà delle sue dimensioni attuali. Cooper afferma: "Vedremo quali sono i limiti di ciò che puoi fare con questo."