Se la T del sistema è più grande della T dell'ambiente, il calore passa dal sistema all'ambiente; nel caso opposto, accade il viceversa. La temperatura assoluta ha lo zero fissato dalla terza legge della termodinamica:
a T=0 l'entropia del sistema è zero.

Boltzmann (primi del Novecento) ha legato l'entropia, una quantità termodinamica macroscopica, alla fisica microscopica statistica e, per noi, al giorno d'oggi, quantistica: zero entropia significa che lo stato microscopico del sistema è unico (ovvero, il sistema può stare solo in quello stato dato: lo stato fondamentale, di minima energia, non realizzabile altrimenti).

Classicamente la temperatura è direttamente proporzionale alla energia cinetica (velocità quadratica media) delle particelle. Si penserebbe allora che gli atomi del sistema a T=0 debbono fermarsi e possono prendere solo determinate posizioni fissate: lo stato è congelato. Quantisticamente questo non è fondato, perché gli atomi non possono localizzarsi, inchiodandosi a certe posizioni fissate nello spazio. Comunque, nello stato fondamentale, le relazioni tra essi sono assolutamente vincolate dall'unicità dello stato: lo stato è totalmente e univocamente correlato.

La scala usata è quella di Kelvin: 0 K corrisponde a -273,15 Celsius circa. T=0 è irraggiungibile, ma ci si può avvicinare indefinitamente.

Detto questo, la domanda è: qual è la temperatura più bassa mai raggiunta?

Perché la risposta sia soddisfacente deve essere articolata:

a) qual è il termometro che misura la riduzione della temperatura?
b) misurando la T del nostro sistema, come sappiamo quanto siamo distanti dallo zero assoluto: T=0 ?
c) non accade forse che la sola operazione di misura della Tdel sistema, mettendolo a contatto con l'ambiente, determina un aumento di T?
d) infine: qual è il T minimo raggiunto? Per quale sistema e con che tecnica? Qual è la fisica interessante da studiare che giustifica tanto sforzo (anche 9 anni di lavoro)?

I quesiti b) e c) sono generali e di fondamento. Le domande a) e d) sono specifiche e ovviamente collegate: a sistema diverso, diverso termometro. Le risposte a tutte sono inevitabilmente intrecciate.

Due sono i sistemi affreddati sotto i milliKelvin :

1) un pezzo di metallo di Rodio è stato raffreddato fino a 100 pico K (pico = 10^-12) con la tecnica della demagnetizzazione adiabatica degli spin nucleari del Rodio nel 1999 ad Helsinki
http://ltl.tkk.fi/Low-Temp-Record.html;

2) gas atomici vengono raffreddati con tecniche laser (ad es. il sodio) e tenuti sospesi in una trappola magneto-ottica fino a circa 0.5 nano Kelvin (nano = 10 alla -9) nel 2003 a Cambridge Mass (USA)
http://physics.nist.gov/Divisions/Div842/Gp4/group4.html.

Partiamo dal primo sistema: il Rodio. I nuclei del Rodio hanno un momento magnetico (spin nucleare). Alle bassissime temperature le interazioni magnetiche sono dominanti. Sotto una temperatura critica potrebbero, come sempre accade, orientarsi tutti di concerto (ad es. ferromagneticamente o antiferromagneticamente come accade per l'argento). Lo stato a T=0 sarebbe uno stato perfettamente ordinato. Fino alle temperature raggiunte il Rodio non presenta l'ordine magnetico. Se ciò non dovesse accadere affatto, avremmo a T=0 un liquido (parola usata per dare il senso del disordine) di spin, ma totalmente correlato: uno stato mai incontrato finora, che confermerebbe in pieno la fisica quantistica dei sistemi a tante particelle.

Il termometro qui è il sistema stesso del quale si studia la suscettività magnetica per vedere se c'è ordine. Dando un po' di calore con una radiazione a radiofrequenza, si misura il decremento di magnetizzazione collegabile alla variazione di entropia: la costante di proporzionalità tra calore ed entropia è proprio T. Come si sa a che distanza si è arrivati da T=0? Perché c'è la legge di Curie-Weiss su come si comporta la suscettività in temperatura, questa sembra valere a bassissima temperatura e si può estrapolare (allungarle il collo con debiti scongiuri) fino a T=0.

Per chi, in questo contesto, voglia imbattersi nelle temperature negative, (che sono un modo pittoresco per descrivere stati di non equilibrio ), è accessibile a una lettura semispecialistica l'articolo P.J.Hakonen et al, Phys. Rev.Lett. 70, 2818 (1993).

Il caso 2): il raffreddamento di gas atomici realizza stati quantici correlati del gas stesso dalle proprietà particolarmente impressionanti (superfluidità). Si tratta della cosiddetta condensazione di Bosoni (da Satyendra Nath Bose e Einstein nel 1924) per gas come il sodio o di Fermioni per il potassio. La differenza tra i due casi la realizzano ancora gli spin nucleari di ciascun atomo. Un sistema parente è l'elio (isotopo 4 sotto i 2.2.k e 3 sotto i 3 milliK rispettivamente [1]) ma è meno direttamente collegabile alle previsioni per i gas di Bose-Einstein o Fermi-Dirac. Wieman and Cornell vinsero nel 2001 il premio Nobel per la isica per la loro realizzazione della condensazione del sodio. http://jilawww.colorado.edu/research/ultracold.html

Il raffreddamento avviene rallentando gli atomi col buttargli luce contro. Anche in questo caso il termometro è il sistema stesso. Lo stadio finale di raffreddamento è un'espansione adiabatica (identico a quando, lasciando fuoriuscire il gas da un accendino, senza provocare la scintilla, ci si raffredda il polpastrello) e dalla pressione del gas, che si rileva con metodi ottici, si risale alla temperatura (al limite, T=0 corrisponde a pressione zero). Un altro riferimento piacevolmente leggibile è:

http://www.ph.utexas.edu/dept/research/heinzen/bose.html

Lo scopo di queste temperature così basse è quindi di esplorare le predizioni della meccanica quantistica in sistemi il più semplice possibile (e quelli citati si rivelano tali).
La risposta alla domanda b) è: per estrapolazione. La risposta alla domanda c) è: poiché il termometro è il sistema stesso, l'effetto di riscaldamento indotto dalla misura c'è, ma è piccolo: la misura della suscettività magnetica (che richiede un magnetometro a superconduttore SQUID nel caso 1), e la misura della pressione del gas che richiede di sparargli addosso una luce per farne la fotografia (e quindi diversa dai fasci laser che servono per raffreddarlo) nel caso 2).

Sistemi del tipo 1) si raffreddano con un processo a più stadi. Usando un bagno d'elio fino a 2.2 K circa. Usando un refrigeratore a miscela He 3 –He 4 [2] (ve ne sono addirittura di portatili) fino a 7 mK circa. Gli spin nucleari sono poi gli ultimi gradi di libertà non congelati da sfruttare e la demagnetizzazione adiabatica degli spin nucleari l'ultima risorsa.

[1] risultato sperimentale dei primi anni Settanta conseguito da Lee e Richardson di Cornell e Osheroff di Stanford, insignito del premio Nobel 1996 per la Fisica e recentemente da Abrikosov, Ginzburg e Leggett (Nobel 2003) per studi teorici connessi.

[2] vedi, per es., http://qt.tn.tudelft.nl/lab/dilution.html