Por que o “Cold Atom Lab (CAL)” do tamanho de um mini-frigorífico que orbita a Terra a bordo da ISS é significativo para a ciência  

A matéria tem natureza dupla; tudo existe tanto como partícula quanto como onda. A uma temperatura próxima do zero absoluto, a natureza ondulatória dos átomos torna-se observável pela radiação na faixa visível. Nessas temperaturas ultrafrias na faixa nanoKelvin, os átomos se aglutinam em uma única entidade maior e transitam para o quinto estado chamado Condensado Bose Eisenstein (BEC), que se comporta como uma onda em um grande pacote. Como todas as ondas, os átomos neste estado apresentam o fenômeno da interferência e os padrões de interferência das ondas atômicas podem ser estudados em laboratórios. Os interferômetros atômicos implantados no ambiente de microgravidade do espaço atuam como um sensor extremamente preciso e oferecem a oportunidade de medir as acelerações mais fracas. O Cold Atom Laboratory (CAL), do tamanho de um minigeladeira, orbitando a Terra a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), é um centro de pesquisa para o estudo de gases quânticos ultrafrios no ambiente de microgravidade do espaço. Ele foi atualizado com o Interferômetro Atom há alguns anos. De acordo com o relatório publicado em 13 de agosto de 2024), os pesquisadores conduziram com sucesso experimentos pioneiros. Eles poderiam medir as vibrações da ISS usando um interferômetro Mach-Zehnder de três pulsos a bordo da instalação CAL. Esta foi a primeira vez que um sensor quântico foi usado no espaço para detectar mudanças no entorno imediato. O segundo experimento envolveu o uso da interferometria de ondas de cisalhamento de Ramsey para manifestar padrões de interferência em uma única execução. Os padrões foram observáveis ​​por mais de 150 ms de tempo de expansão livre. Esta foi a demonstração mais longa da natureza ondulatória dos átomos em queda livre no espaço. A equipe de pesquisa também mediu o recuo do fóton do laser Bragg como uma demonstração do primeiro sensor quântico usando interferometria atômica no espaço. Estes desenvolvimentos são significativos. Como os sensores mais precisos, os interferômetros de átomos ultrafrios baseados no espaço podem medir acelerações extremamente fracas, oferecendo assim oportunidades para os pesquisadores explorarem as questões (como matéria escura e energia escura, assimetria matéria-antimatéria, unificação da gravidade com outros campos). que a Relatividade Geral e o Modelo Padrão da física de partículas não podem explicar e preencher a lacuna na nossa compreensão do universo. 

As ondas apresentam o fenômeno da interferência, ou seja, duas ou mais ondas coerentes se combinam para dar origem a uma onda resultante que pode ter uma amplitude maior ou menor dependendo das fases das ondas combinadas. No caso da luz, vemos ondas resultantes na forma de franjas claras e escuras.  

A interferometria é um método de medição de características utilizando o fenômeno da interferência. Envolve a divisão da onda incidente em dois feixes que percorrem caminhos diferentes e depois se combinam para formar o padrão de interferência ou franjas resultantes (no caso da luz). O padrão de interferência resultante é sensível a mudanças nas condições dos caminhos de deslocamento dos feixes, por exemplo, qualquer mudança no comprimento do caminho de deslocamento ou em qualquer campo em relação ao comprimento de onda influencia o padrão de interferência e pode ser usado para medições.   

onda de de Broglie ou onda de matéria  

A matéria tem natureza dupla; existe tanto como partícula quanto como onda. Cada partícula ou objeto em movimento tem uma característica de onda dada pela Equação de de Broglie  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

onde λ é o comprimento de onda, h é a constante de Planck, m é a massa, v é a velocidade da partícula, p é o momento, K é a constante de Boltzmann e T é a temperatura em Kelvin. 

O comprimento de onda térmico de Broglie é inversamente proporcional à raiz quadrada da temperatura em Kelvin, o que significa que λ será maior em temperaturas mais baixas.  

Estudo de ondas atômicas ultrafrias 

Para um átomo típico, o comprimento de onda de De Broglie à temperatura ambiente é da ordem de angstrom (10^-10 m) viz. 0.1 nanômetro (1 nm = 10^-9 m). Uma radiação de um determinado comprimento de onda pode resolver detalhes na mesma faixa de tamanho. A luz não consegue resolver detalhes menores que seu comprimento de onda, portanto, um átomo típico à temperatura ambiente não pode ser visualizado usando luz visível que tem um comprimento de onda na faixa de cerca de 400 nm a 700 nm. Os raios X podem funcionar por causa de seu comprimento de onda na faixa de angstrom, mas sua alta energia destrói os próprios átomos que deveriam observar. Portanto, a solução está na redução da temperatura do átomo (para menos de 10^-6 Kelvin) de modo que os comprimentos de onda de De Broglie dos átomos aumentam e se tornam comparáveis ​​aos comprimentos de onda da luz visível. Em temperaturas ultrafrias, a natureza ondulatória dos átomos torna-se mensurável e relevante para a interferometria.  

À medida que a temperatura dos átomos é reduzida ainda mais na faixa de nanokelvin (10^-9 Kelvin) variam para cerca de 400 nK, os bósons atômicos fazem a transição para o quinto estado da matéria chamado condensado de Bose-Einstein (BCE). Nessas temperaturas ultrabaixas próximas do zero absoluto, quando os movimentos térmicos das partículas se tornam extremamente insignificantes, os átomos se aglutinam em uma única entidade maior que se comporta como uma onda em um grande pacote. Este estado dos átomos oferece aos pesquisadores a oportunidade de estudar sistemas quânticos em escala macroscópica. O primeiro AEC atômico foi criado em 1995 em um gás de átomos de rubídio. Desde então, esta área tem visto muitas melhorias na tecnologia. O BEC molecular de moléculas de NaCs foi criada recentemente a uma temperatura ultrafria de 5 nanoKelvin (nK).  

As condições de microgravidade no espaço são melhores para pesquisas em mecânica quântica  

A gravidade nos laboratórios terrestres requer o uso de armadilha magnética para manter os átomos no lugar para um resfriamento eficaz. A gravidade também limita o tempo de interação com os BECs nos laboratórios terrestres. A formação de BECs em ambiente de microgravidade de laboratórios espaciais supera essas limitações. O ambiente de microgravidade pode aumentar o tempo de interação e reduzir perturbações do campo aplicado, apoiando assim melhor a pesquisa em mecânica quântica. Os BCEs são agora formados rotineiramente sob condições de microgravidade no espaço.  

Laboratório Cold Atom (CAL) na Estação Espacial Internacional (ISS) 

Cold Atom Laboratory (CAL) é um centro de pesquisa multiusuário baseado na Estação Espacial Internacional (ISS) para o estudo de gases quânticos ultrafrios no ambiente de microgravidade do espaço. O CAL é operado remotamente a partir do centro de operações do Laboratório de Propulsão a Jato.  

Nesta instalação espacial, é possível ter tempos de observação superiores a 10 segundos e temperaturas ultrafrias abaixo de 100 picoKelvin (1 pK = 10^-12 Kelvin) para o estudo dos fenômenos quânticos.   

O Cold Atom Lab foi lançado em 21 de maio de 2018 e instalado na ISS no final de maio de 2018. Um condensado de Bose-Einstein (BEC) foi criado nesta instalação espacial em julho de 2018. Esta foi a primeira vez; um quinto estado da matéria foi criado na órbita da Terra. Mais tarde, a instalação foi atualizada após a implantação de interferômetros de átomos ultrafrios.  

CAL alcançou muitos marcos nos últimos anos. Condensados ​​de rubídio Bose-Einstein (BECs) foram produzidos no espaço em 2020. Também foi demonstrado que o ambiente de microgravidade é vantajoso para experimentos com átomos frios.  

No ano passado, em 2023, os pesquisadores produziram BEC de duas espécies formado a partir de ⁸⁷Rb e ⁴¹K e demonstrou interferometria atômica simultânea com duas espécies atômicas pela primeira vez no espaço nas instalações do Cold Atom Laboratory. Essas conquistas foram importantes para testes quânticos de universalidade de queda livre (UFF) no espaço.  

Avanço recente em tecnologias quânticas baseadas no espaço 

De acordo com o relatório publicado em 13 de agosto de 2024), os pesquisadores empregaram ⁸⁷Átomos Rb no interferômetro de átomos CAL e conduziu com sucesso três experimentos de descoberta de caminhos. Eles poderiam medir as vibrações da ISS usando um interferômetro Mach-Zehnder de três pulsos a bordo da instalação CAL. Esta foi a primeira vez que um sensor quântico foi usado no espaço para detectar mudanças no entorno imediato. O segundo experimento envolveu o uso da interferometria de ondas de cisalhamento de Ramsey para manifestar padrões de interferência em uma única execução. Os padrões foram observáveis ​​por mais de 150 ms de tempo de expansão livre. Esta foi a demonstração mais longa da natureza ondulatória dos átomos em queda livre no espaço. A equipe de pesquisa também mediu o recuo do fóton do laser Bragg como uma demonstração do primeiro sensor quântico usando interferometria atômica no espaço. 

Significado dos interferômetros de átomos ultrafrios implantados no espaço 

Os interferômetros atômicos aproveitam a natureza quântica dos átomos e são extremamente sensíveis a mudanças na aceleração ou nos campos, portanto, têm aplicações como ferramentas de alta precisão. Interferômetros atômicos baseados na Terra são usados ​​para estudar a gravidade e em tecnologias avançadas de navegação.   

Os interferômetros atômicos baseados no espaço têm vantagens do ambiente de microgravidade persistente que oferece condições de queda livre com muito menos influência dos campos. Também ajuda os condensados ​​​​de Bose-Einstein (BECs) a atingir temperaturas mais frias na faixa picoKelvin e a existir por mais tempo. O efeito líquido é um tempo de observação prolongado, portanto, uma melhor oportunidade para estudar. Isso confere aos interferômetros de átomos ultrafrios implantados no espaço capacidades de medição de alta precisão e os torna supersensores.  

Interferômetros de átomos ultrafrios implantados no espaço podem detectar variações muito sutis na gravidade, o que é indicativo de variação nas densidades. Isto pode ajudar no estudo da composição dos corpos planetários e de quaisquer mudanças de massa.  

A medição de alta precisão da gravidade também pode ajudar a compreender melhor a matéria escura e a energia escura e na exploração de forças sutis além da Relatividade Geral e do Modelo Padrão que descrevem o universo observável.  

A Relatividade Geral e o Modelo Padrão são as duas teorias que descrevem o universo observável. O modelo padrão da física de partículas é basicamente a teoria quântica de campos. Descreve apenas 5% do universo, os restantes 95% estão em formas escuras (matéria escura e energia escura) que não compreendemos. O Modelo Padrão não pode explicar a matéria escura e a energia escura. Também não pode explicar a assimetria matéria-antimatéria. Da mesma forma, a gravidade ainda não pôde ser unificada com os outros campos. A realidade do universo não é totalmente explicada pelas teorias e modelos atuais. Aceleradores e observatórios gigantes são incapazes de esclarecer muitos desses mistérios da natureza. Sendo os sensores mais precisos, os interferómetros de átomos ultrafrios baseados no espaço oferecem oportunidades para os investigadores explorarem estas questões para preencher a lacuna na nossa compreensão do universo.  

*** 

Referências:  

1. Meystre, Pierre 1997. Quando os átomos se transformam em ondas. Disponível em https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. Laboratório Cold Atom – Missões do Universo. Disponível em https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, et al. Observação de condensados ​​de Bose-Einstein em um laboratório de pesquisa em órbita terrestre. Natureza 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Misturas quânticas de gases e interferometria de átomos de duas espécies no espaço. Natureza 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Williams, Jr., et al 2024. Experimentos Pathfinder com interferometria atômica no Cold Atom Lab a bordo da Estação Espacial Internacional. Nat Commun 15, 6414. Publicado: 13 de agosto de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Versão pré-impressa https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. NASA demonstra sensor quântico 'ultra-frio' pela primeira vez no espaço. Publicado em 13 de agosto de 2024. Disponível em https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***