Un po' di luce per... raffreddare

Accidenti! Certo, era davvero vecchio e malandato il condizionatore a casa di Roberto, ma rompersi proprio in questi giorni di gran caldo... proprio un inconveniente poco piacevole! E così si sprecarono le maledizioni contro tutta quella luce solare che riscaldava la casa su cui batteva.

Ma perché mai la luce che viene assorbita da un qualunque oggetto dovrebbe riscaldarlo, ovvero aumentare la sua temperatura? La risposta viene immediata se si analizza cosa sia la temperatura di un corpo, ovvero quale informazione fisica essa fornisce. Prendiamo ad esempio un gas, formato da tanti atomi o molecole, ad una certa temperatura: se lo osservassimo attraverso un microscopio molto potente, riusciremmo a vedere le diverse molecole che si muovono caoticamente, in tutte le direzioni e con velocità molto elevate, diciamo all'incirca qualche migliaia di metri al secondo (eh già: le molecole sono molto leggere, e possono quindi muoversi ordinariamente a queste velocità così elevate!). Se ora riscaldiamo il gas – ovvero aumentiamo la sua temperatura –, al microscopio vedremmo all'incirca la stessa cosa, ma la velocità degli atomi o molecole sarà aumentata.

Cosa provoca ciò? Lo sapete benissimo: se mettete sul fornello una caffettiera napoletana in cui avete dimenticato di mettere l'acqua (ed è quindi piena di... aria), se la lasciate riscaldare troppo, la caffettiera “esplode”, ovvero la pressione dell'aria riscaldata riesce a staccare (anche violentemente!) le sue due parti. Da un punto di vista microscopico, se aumentando la temperatura gli atomi o le molecole si muovono più velocemente, essi urtano più violentemente sulle pareti del recipiente (aumenta la pressione), e riescono quindi a compiere il lavoro di far “esplodere” la caffettiera. In altre parole, dunque, aumentare la temperatura di un corpo fa sì che le molecole che lo costituiscono si muovano più velocemente, aumentando la loro capacità di compiere un lavoro. Da un punto di vista fisico, allora, aumentare o diminuire la temperatura di un corpo è semplicemente un modo per aumentare o diminuire l'energia delle molecole che lo costituiscono: energia che, per identificarla (ovvero per ricordare che è dovuta al moto caotico delle molecole o degli atomi), viene chiamata appropriatamente energia termica. Questo, infatti, vale anche per corpi liquidi o solidi, solo che per questi gli atomi o le molecole che li costituiscono non sono liberi di muoversi così come in un gas. L'effetto è però lo stesso: con l'aumentare della temperatura, si fornisce sempre più energia agli atomi o molecole costituenti, che produce moti (più o meno vincolati) sempre più “violenti” e caotici, tali da indurre – per esempio – perfino la fusione di un metallo (ovvero gli atomi o molecole originariamente ben vincolati nel metallo riescono a “fuggire” dalle loro posizioni, e a muoversi più o meno liberamente come in un liquido).

Si capisce, adesso, perché i raggi di luce solare producono generalmente un aumento di temperatura: essi trasportano energia, che viene comunicata agli atomi o molecole di un certo oggetto, aumentandone la loro stessa energia, e quindi la temperatura del corpo. Se poi avete a disposizione addirittura un raggio di luce laser, l'energia che esso trasporta è così grande che, invece di riscaldare semplicemente, potrebbe perfino tagliare un metallo, un'azione che costa – infatti – molto lavoro.

Da un po' di anni, però, si è scoperto un altro impiego, ugualmente interessante, della luce laser, che apparentemente porterebbe ad un fenomeno paradossale: raffreddare un corpo anziché riscaldarlo. Come è possibile?

Normalmente, gli atomi di cui sono costituiti tutti gli oggetti si trovano in uno stato di “minima energia” possibile, caratterizzato dal fatto che esso rende stabile gli atomi (e quindi tutta la materia che essi costituiscono): poiché il dato atomo non può avere una energia inferiore, esso non potrà “decadere” in un altro stato (ovvero trasformarsi in qualche altra cosa) per un qualunque accidente in cui possa incorrere, e questo garantisce la sua stabilità, ovvero la sua stessa esistenza (se si trasformasse in altro non esisterebbe più come tale). Naturalmente, invece, un atomo può assorbire energia da una fonte esterna, “salendo” dallo stato di minima energia ad uno più elevato ma, come ci si può immaginare, l'atomo non resterebbe a lungo in tale stato “eccitato”, ma decadrebbe prima o poi nuovamente nello stato di minima energia, rilasciando l'energia precedentemente acquistata sotto qualche altra forma. Ad esempio, in un tubo a neon, la corrente che fornite al dispositivo serve ad aumentare l'energia degli atomi del gas neon (aumentando la loro velocità), di cui poi si liberano emettendo luce. Analogamente, quando investite un atomo con della luce (laser o non), esso assorbe l'energia che la luce gli comunica, saltando dal suo stato di minima energia ad uno stato eccitato, e l'energia in eccesso viene poi rilasciata mediante l'emissione di altra luce (o, più in generale, di onde elettromagnetiche). Questo fenomeno usuale serve, quindi, semplicemente a convertire una forma di energia in un altra. E, naturalmente, non può avvenire che l'energia di cui l'atomo si liberi è maggiore di quella che gli fornite, se esso inizialmente si trovava già' nel suo stato di minima energia.

Se, però, i vari atomi di un certo corpo possiedono energia maggiore di quella che compete a questo stato, data per esempio sotto forma di energia termica (ossia il corpo è “caldo”), potete immaginare facilmente che, investendoli di luce laser con particolari caratteristiche, potreste far si che l'atomo si liberi non solo dell'eccesso di energia che gli avete fornito via laser, ma anche dell'energia termica che esso già aveva. In tal modo, macroscopicamente, siete riusciti a raffreddare il corpo, invece che riscaldarlo: è questo il principio base di funzionamento del raffreddamento laser. In pratica, per analogia, è lo stesso di ciò che avviene quando volete rallentare una pallina ad alta velocità (atomo) lanciandole contro un'altra pallina in movimento (luce laser): la prima pallina rallenta comunicando energia alla seconda. Rallentando gli atomi con luce laser, il corpo intero si raffredda emettendo altra luce che trasporta energia maggiore di quella incidente.

Tuttavia, se il giochetto delle palline vi ha convinto facilmente, potrebbe sorgere qualche dubbio sull'efficienza del fenomeno: la temperatura del corpo diminuirà di una quantità impercettibile... Rimarreste allora – forse – sconcertati se sapeste che con questa tecnica si riesce a raffreddare dei gas a bassa densità (ovvero: “pochi” atomi) a temperature molto prossime (meno di un decimillesimo) allo zero assoluto, ovvero circa -273.15 gradi centigradi! Queste sono proprio le temperature richieste per studiare degli effetti unici della fisica quantistica.

Il raffreddamento laser, tuttavia, non presenta solo interessi speculativi per la ricerca in fisica. Qualche mese fa, infatti, alcuni ricercatori di Singapore sono riusciti con la stessa tecnica a raffreddare, dalla temperatura ambiente (circa 20 gradi) ad una temperatura di -20 gradi, un campione macroscopico (non a bassa densità) di solfuro di cadmio, un composto utilizzato in sensori, chip elettronici, ecc. Questo apre, allora, delle notevoli prospettive per l'ulteriore miglioramento dei processori elettronici. L'incremento nella velocità delle CPU dei nostri computer, infatti, già da qualche tempo è incominciato a rallentare, a causa del fatto che processori più potenti producono anche più calore, e se non si hanno dispositivi efficienti di raffreddamento, essi tendono facilmente a deteriorarsi.

Il risultato ottenuto dai ricercatori di Singapore, quindi, provocherà certamente delle ricadute sensibili sulla prossima evoluzione di tablet, smartphones e altre diavolerie elettroniche. Purtroppo, però, nel frattempo Roberto dovrà ancora soffrire un po' di caldo...

S. Esposito, fisico