O Cold Atom Lab da NASA vai fazer da ISS o lugar mais frio do Universo

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Concepção artística de um gás quântico atômico passando por resfriamento a laser em um refrigerador ultrafrio. (Crédito: NASA)

Artigo traduzido de gizmag. Autor: Brian Dodson.

A física quântica gosta do frio. Em particular, fenômenos quânticos macroscópicos como a supercondutividade, superfluidez e condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) só são encontrados em temperaturas muito baixas. Enquanto os métodos de refrigeração atuais podem atingir temperaturas de poucos nK (nanokelvin), o alcance de temperaturas ainda mais baixas é em grande parte impedido pela necessidade de sustentar a matéria refrigerada contra a força da gravidade da Terra. Agora o Cold Atom Lab da NASA, programado para instalação na ISS em 2016, terá como objetivo temperaturas cerca de três ordens de grandeza menores.

Esclarecer a natureza da matéria quântica (formas de matéria em que algumas propriedades macroscópicas são dominadas pela mecânica quântica) tem sido um importante tema da metade do século passado em física, tendo recolhido nove prêmios Nobel compartilhados entre 23 laureados nesse período. Exemplos incluem a supercondutividade, superfluidez, o efeito Hall quântico fracionário, e condensados ​​de Bose-Einstein.

Presumidamente, novos e inesperados efeitos quânticos continuam a ser descobertos em temperaturas mais frias. Em particular, as experiências com um fundo mais silencioso são mais propensas a fornecer dados que podem revelar efeitos minúsculos normalmente ofuscados pelo ruído térmico. O potencial existe para obter pistas sobre a natureza do espaço e do tempo, o entrelaçamento quântico, o princípio da equivalência, e outras questões com as quais ainda lutam.

Uma gama de aplicações novas também está dentro do alcance, tais como sensores quânticos com base em interferometria de onda-matéria atômica, em que a natureza de onda dos átomos é tão melhorada devido às temperaturas baixas experimentais que podem ser divididas e feitas para interferir consigo mesmas.

Como o frio extremo pode ser entendido? Na escala de temperatura Kelvin, a temperatura zero é o zero absoluto, o ponto em que todo o movimento clássico para. A mudança de temperatura associada com um grau Kelvin é igual à de um grau centígrado.

Há marcadores no caminho para temperaturas ultrafrias. O gelo seco tem uma temperatura de 195 K, o nitrogênio líquido ferve a 77 K, e hélio se torna líquido a 4,2 K. A radiação cósmica de fundo do Universo corresponde a 2.725 K, e o lugar natural mais frio conhecido no Universo, a nebulosa Boomerang, tem um frio de 1 K.

Os marcadores são agradáveis, mas a matéria a uma temperatura de 1 pK (picoKelvin) é um trilhão de vezes mais fria do que a nebulosa Boomerang: um grande salto para ter uma ideia de um frio realmente extremo. Uma abordagem é olhar para o comprimento de onda de Broglie (aproximadamente o tamanho quântico) de um átomo em um gás frio.

À temperatura ambiente um átomo com peso médio tem um comprimento de onda de cerca de 0,02 nm, o que é cerca de 10 vezes menor do que o tamanho físico do átomo. A discrepância nos tamanhos explica porque os gases atômicos mostram essencialmente nenhuma natureza quântica à temperatura ambiente. Em 1 K, o comprimento de onda é de cerca de 0,3 nm, um pouco maior do que a separação dos átomos em um líquido, e de fato vemos a mecânica quântica do hélio superfluido aparecendo próximo a esta temperatura.

Em um picoKelvin, no entanto, o comprimento de onda é cerca de 0,3 mm, aproximadamente do tamanho de um grão médio de areia e muito maior do que o tamanho clássico dos átomos. Quando as ondas quânticas dos átomos individuais de um gás se sobrepõe, o sistema torna-se dominado por efeitos quânticos; no caso de um gás atômico feito de bósons, você tem um condensado de Bose-Einstein.

Um condensado de Bose-Einstein ganhando forma na medida em que a temperatura é reduzida (Crédito: NASA)
Um condensado de Bose-Einstein ganhando forma na medida em que a temperatura é reduzida (Crédito: NASA)

As correlações quânticas a partir das quais as propriedades da matéria ultrafria emergem são geralmente bastante fracas e facilmente interrompidas por flutuações térmicas, evitando assim uma fase de formação de condensados quânticos. Como resultado, as propriedades quânticas aparecem geralmente a temperaturas mais baixas, como mostrado na figura anterior da formação de um condensado de Bose-Einstein na medida em que a temperatura de um gás atômico é reduzida.

O processo de resfriamento de um gás atômico a temperaturas onde um condensado de Bose-Einstein é formado. (Crédito: NASA)
O processo de resfriamento de um gás atômico a temperaturas onde um condensado de Bose-Einstein é formado. (Crédito: NASA)

Os experimentos atuais que atingem as temperaturas mais baixas são os que envolvem gases atômicos quânticos. Para realizar tais experiências é necessária a capacidade de capturar, resfriar e examinar uma coleção de átomos individuais. Infelizmente, as armadilhas para capturar os átomos degradam tanto a temperatura final que pode ser alcançada quanto a uniformidade do sistema aprisionado.

As armadilhas de átomos topo de linha de hoje são baseadas em equilíbrio gravitomagnético. Átomos diamagnéticos são repelidos dos campos magnéticos, de modo que, quando colocados em um declive de campo magnético, os átomos afundem a um nível onde a força para cima a partir da interação magnética apenas equilibre a força da gravidade. Uma armadilha gravitomagnética também é concebida de modo que o campo magnético seja menor no centro da armadilha do que nas arestas, de modo que os átomos também fiquem confinados em relação ao plano horizontal.

É claro que as interações magnéticas dos vários átomos de tal armadilha não são uniformes, principalmente quando os defeitos na produção e operação dos imãs da armadilha são levados em conta. Como resultado, todo o sistema a ser estudado é o material não uniforme geralmente assumido para análise das suas propriedades mais fáceis. Além disso, quaisquer flutuações ou outras variações no campo magnético tenderá a fazer os átomos aprisionados se moverem mais rapidamente, o que é equivalente a um aumento de temperatura. Devido a esses efeitos, a menor temperatura datada em um gás atômico quântico chegou a cerca de 0,45 nK, em um experimento de tour-de-force realizado no MIT.

O Cold Atom Lab da NASA está destinado a quebrar a barreira de temperatura, oferecendo a oportunidade de realizar experiências com gases quânticos em temperaturas tão baixas como alguns pK (picoKelvin). A NASA fez uma pergunta aparentemente estúpida: Por que precisamos de uma armadilha para experimentos ultrafrios em gases atômicos?

Esta questão ilumina uma virada fundamental. Se os átomos são suficientemente frios, talvez o aprisionamento não seja necessário. Uma amostra experimental típica de átomos presos tem poucos milímetros em um lado. Com uma temperatura de amostra de 1 K, os átomos não-presos iriam escapar do volume da amostra em bem menos de um milésimo de segundo, longe do tempo suficiente para realizar os experimentos desejados. Em 1 nK, no entanto, os átomos permaneceriam no volume experimental por cerca de cinco segundos. Em 1 pK, o período de fuga típico seria em mais de três minutos, mesmo ignorando quaisquer interações entre os átomos. Experimentos altamente precisos e significativos podem ser facilmente realizados em um punhado de segundos, fazendo a armadilha de átomos dentro do volume ativo do experimento desnecessária.

Enquanto talvez não haja muita necessidade de aprisionar átomos em temperaturas mais baixas (deixando a opção de usar uma armadilha entre os experimentos), ainda há a gravidade para lidar com eles. Na Terra, os átomos cairiam longe do volume da amostra experimental dentro de 25 milissegundos ou menos. Os átomos também ganham grandes quantidades de energia cinética em comparação com seus movimentos térmicos enquanto caem, levando a uma experiência bastante confusa.

A solução para temperaturas mais baixas? Coloque o laboratório de gás atômico quântico em órbita. Em temperaturas suficientemente baixas, as armadilhas não são necessárias, e nem um dispositivo para sustentar os átomos contra a gravidade.

O refrigerador e aparelho experimental no coração do Cold Atom Lab. (Crédito: NASA)
O refrigerador e aparelho experimental no coração do Cold Atom Lab. (Crédito: NASA)

O resultado é construtivamente chamado Cold Atom Lab (em português, algo como Laboratório de Átomos Frios), que será lançado para ser instalado na Estação Espacial Internacional em 2016. Uma das poucas experiências científicas que exige o meio ambiente especializado e a infra-estrutura da ISS, o Cold Atom Lab será o pioneiro de novas técnicas para análise, controle e utilização de novos fenômenos quânticos ultrafrios. Estas novas capacidades irão esclarecer melhor os fenômenos ultrafrios conhecidos, como interferometria de onda-matéria e condensados ​​de Bose-Einstein. Além disso, o folclore relata que muitas surpresas se escondem no escuro e no frio.

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