O Cold Atom Laboratory da NASA executa experimentos de temperatura super baixa em gravidade próxima de zero que seriam impossíveis de realizar na Terra.
Fonte: Wired
EM MARÇO DE 2018,pesquisadores lançaram o que parece ser uma geladeira branca de tamanho mais frio para a Estação Espacial Internacional. Essa caixa pesada abriga uma instalação de US $ 100 milhões conhecida como Cold Atom Laboratory, que permite que uma série de experimentos de física atômica sejam feitos em temperaturas congelantes no espaço zero g. Com essas condições únicas, os cientistas agora produziram pequenas bolhas de átomos de gás extremamente frios, colocando-os à beira do território da física quântica.
Essa conquista, só possível em microgravidade e a um milionésimo de grau acima do zero absoluto, a temperatura mínima do universo, teria sido impossível de realizar na Terra. A equipe de físicos por trás do marco, que está trabalhando remotamente – ou seja, em terra – publicou sua nova pesquisa na revista Nature na semana passada, mostrando que eles fizeram as bolhas ultrafrias com um aparato experimental que irradiava lasers em um vácuo selado. câmara para resfriar os átomos de gás. Em seguida, eles implantaram campos magnéticos e ondas de rádio para lançá-los em bolhas ocas em forma de ovo. O experimento fornece informações sobre o reino quântico e também tem aplicações para outras áreas da física.
“É emocionante ver os átomos assumirem essas novas formas e ver novos comportamentos quando você desliga a gravidade”, diz David Aveline, autor do estudo e membro da colaboração que trabalha no Cold Atom Lab , operado pelo Jet Propulsion Laboratory da NASA. em Pasadena, Califórnia.
Átomos ultrafrios de gás - neste caso, de rubídio - não agem da maneira que normalmente agiriam à temperatura ambiente, girando em torno de seu recipiente como bolas de bilhar microscópicas. À medida que o gás esfria, eles se movem cada vez mais devagar, mas sem que os átomos lentos se transformem em líquido ou sólido, como um vapor faria. Quando eles são resfriados perto do zero absoluto, eles começam a se aglomerar e os comprimentos de onda associados às partículas de gás ficam mais longos e começam a se sobrepor.
Em temperaturas extremamente frias, os átomos começam a agir de forma estranha. Eles coalescem em uma substância com propriedades quânticas, comportando-se tanto como partículas quanto como ondas . Nesse ponto, eles são basicamente um paradoxo quântico e quase como um novo estado da matéria, chamado condensado de Bose-Einstein, em homenagem aos físicos indianos e alemães de um século atrás. (Tecnicamente, os átomos ultrafrios precisam ser resfriados ainda mais para serem considerados um condensado de Bose-Einstein, mas estão mostrando sinais de estar à beira disso.) De qualquer forma, enquanto fenômenos quânticos geralmente precisam de microscópios poderosos para serem observados , essas bolhas podem ser infladas até um tamanho muito maior que a largura de um cabelo humano.
“Estamos pegando efeitos físicos puros que normalmente acontecem na escala de átomos, e estamos fazendo-os acontecer em objetos com até um milímetro de tamanho, tentando tornar a mecânica quântica e o comportamento estranho da física visíveis a olho nu. ” diz Nathan Lundblad, físico atômico do Bates College, no Maine, e principal autor do estudo.
Esta pesquisa pode ter aplicações além do mundo da física quântica. Uma razão pela qual a NASA está interessada é porque esse trabalho em átomos ultrafrios pode eventualmente ajudar no desenvolvimento de giroscópios e acelerômetros mais precisos, diz Aveline. Inflar uma bolha de átomos ultrafrios também pode fornecer informações sobre a expansão extremamente rápida do universo bebê uma fração de segundo após o Big Bang.
Enquanto esses físicos e seus colegas estudam átomos ultrafrios na Terra há décadas, a gravidade do planeta ainda puxa os átomos, mesmo sendo a força mais fraca da natureza. No chão, se os cientistas tentarem empurrar os átomos em uma bolha ou bolha redonda, eles acabam caindo, criando uma forma côncava mais parecida com uma pequena lente de contato. Isso não impediu os pesquisadores de manipulá-los em outras formas, como agulhas, anéis e panquecas. (A geometria dos átomos pode ser importante, já que uma camada ultrafina de carbono pode ser transformada em grafeno , por exemplo.) da imagem. Foi aí que a ISS entrou.
O experimento superlegal de Lundblad e Aveline é apenas um dentro do Cold Atom Lab, ou CAL. Ao contrário de um laboratório de pesquisa em uma universidade, o CAL contém um hardware que permite que seis equipes realizem uma variedade de experimentos, como uma cozinha onde grupos de cozinheiros podem entrar para usar os ingredientes e ferramentas para preparar seus próprios pratos. Uma vez que os astronautas instalaram o laboratório, ele foi capaz de funcionar sozinho, sem necessidade de monitoramento ou assistência da tripulação da ISS. (Ocasionalmente, pode ser reparado ou melhorado, como quando as astronautas da NASA Christina Koch e Jessica Meir realizaram uma atualização em 2020.)
Ao contrário da pesquisa em física atômica na Terra, equipes de cientistas como Lundblad e Aveline têm que propor e conduzir seus experimentos de longe. “É como o telescópio Hubble, mas para físicos atômicos”, diz Lundblad. Os pesquisadores operam a CAL remotamente a partir do JPL, enviando comandos e recebendo dados, que depois distribuem aos cientistas que desenvolveram os experimentos. Eles geralmente os executam quando os astronautas estão dormindo, em parte porque o CAL fica perto da bicicleta ergométrica na ISS, o que poderia abalar levemente o aparelho.
Em 2018, um grupo de cientistas alemães lançou um experimento semelhante em um foguete que foi brevemente ao espaço, mas esta é a primeira vez que alguém o tenta em órbita. Os pesquisadores também tentaram simular a microgravidade com uma câmara de vácuo em uma torre de queda de 400 pés na Universidade de Bremen, no norte da Alemanha. Mas essa quase ausência de peso dura apenas alguns segundos, e os cientistas só podem executar alguns desses experimentos de curta duração por dia, ao contrário do CAL, que pode executar alguns experimentos várias vezes por minuto.
“É ótimo ver um experimento científico sério e de baixo custo acontecendo. Vejo muitos experimentos biológicos no espaço, mas em termos de ciências físicas, acho que o Cold Atom Laboratory foi fantástico”, diz Barry Garraway, físico quântico da Universidade de Sussex, no Reino Unido, que anteriormente liderou trabalhos teóricos sobre Bose-Einstein condensa e não está envolvido na CAL. (O laboratório não é exatamente barato, mas é barato em comparação com aceleradores de partículas multibilionários, por exemplo.)
“Para mim, isso revigorou meu interesse pelo espaço”, diz Garraway. “Para o experimento, meu interesse agora é como melhorá-lo, torná-lo mais simétrico, suavizar algumas das rugas e ajudá-los na jornada.”
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