Experimento aproxima temperatura de nuvem de átomos ao zero absoluto. Condensado de Bose-Einstein pode auxiliar a compreender natureza ondulatória da matéria.

A Estação Espacial Internacional (ISS) possui oficialmente o experimento mais frio do espaço. O Laboratório de Átomos Frios (CAL), da NASA, foi instalado no laboratório americano na estação em maio e agora está produzindo nuvens de átomos ultrafrios chamados condensados de Bose-Einstein (BECs). Esta matéria atinge temperaturas logo acima do zero absoluto, ponto no qual os átomos teoricamente param de se mover. É a primeira vez que os BECs foram produzidos em órbita.

O Laboratório é uma instalação multiuso dedicada ao estudo de leis fundamentais da natureza por meio de gases quânticos na microgravidade. Átomos frios são partículas quânticas de longa vida e controladas com precisão que fornecem uma plataforma ideal para o estudo de fenômenos quânticos e possíveis aplicações de tecnologias quânticas.

CAL é a primeira instalação de seu tipo no espaço. Tem o objetivo de avançar a habilidade de cientistas de fazer medições precisas da gravidade, sondando problemas antigos da física quântica e a natureza ondulatória da matéria. As operações cotidianas do CAL não requerem intervenção dos astronautas. O Laboratório consiste de dois contariners padronizados. O maior contém o compartimento onde são produzidos os átomos ultrafrios.

“Ter um experimento BEC operando na estação espacial é um sonho tornando-se realidade”, disse Robert Thompson, cientista de projeto do CAL no Laboratório de Propulsão à Jato (JPL), da NASA, em Pasadena, Califórnia. “Foi uma estrada longa e difícil para chegar aqui, mas totalmente digna da luta, porque há tanto que vamos ser capazes de fazer com esta instalação.”

Laboratório de Átomos Frios (CAL) (NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn)

No mês passado, cientistas do CAL confirmaram que o laboratório produziu BECs de átomos de rúbidio, com temperaturas inferiores a 100 nanoKelvin. (O zero absoluto, 0 K, equivale a -273,15°C.) Isso é mais frio que a temperatura média do espaço, cerca de 3 K (por volta de -270°C). Mas os cientistas pretendem produzir temperaturas mais baixas – menores que qulquer BEC produzido na Terra.

Nestas temperaturas ultrafrias, os átomos em um BEC começam a se comportar diferente de tudo na Terra. De fato, BECs são caracterizados como um quinto estado da matéria – no qual os átomos são mais como ondas do que como partículas. A natureza ondulatória dos átomos é tipicamente observável em escalas microscópicas, mas os BECs tornam estes fenômenos macroscópico  e, portanto, mais fáceis de ser estudados.

Os átomos ultrafrios ficam todos em seu estado de energia mais baixo e assumem a mesma identidade ondulatória, tornando-se indistinguiveis uns dos outros. Unida, a nuvem de átomos é como um único “super átomo”.

Complicado  “CAL é um instrumento extremamente complicado”, comentou Robert Shotwell, engenheiro chefe da diretoria de astronomia e física do JPL, que supervisiona o prejeto desde fevereiro de 2017.

“Tipicamente, experimentos com BEC envolvem equipamento suficiente para encher uma sala e requerem monitoamenteo quase constante por cientistas, enquanto CAL tem o tamanho aproximado de uma geladeira pequena e pode ser operado remotamente da Terra. Foi uma luta e foi preciso esfrço significativo para superar todos os obstáculos necessários para produzir a instalação sofisticada que está operando na estação espacial hoje”

Os primeiros BECs de laboratório foram produzidos em 1995, mas o fenômeno fora previsto 71 anos antes pelos físicos Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2001 por terem sido os primeiros a criar e caracterizar BECs em laboratório.

Cinco grupos científicos, incluindo grupos liderados por Cornell e Ketterle, conduzirão experimentos com o CAL durante seu primeiro ano. Centenas de experimentos com BECs foram realizados na Terra desde meados dos anos 1990 e alguns foram feitos no espaço em breves viagens de foguetes de sondagem. O CAL é a primeira instalação de seu tipo na ISS, onde cientistas podem conduzir estudos diários por longos períodos.

BECs são criados em armadilhas de átomos ou recipientessem fricção feitos de campos magnéticos ou lasers focados. Na Terra, quando estas armadilhas são desligadas, a gravidade age sobre sobre os átomos ultrafrios e eles só podem ser estudados por uma fração de segundo. A microgravidade da ISS permite que cientistas observem BECs individuais de cinco a dez segundos por vez com a habilidade de repetir estas medidas por até seis horas por dia.

Conforme a nuvem se descomprime dentro da armadilha, sua temperatura cai naturalmente e, quanto mais tempo a nuvem fica na armadilha, mais fria ela fica. Este fenômeno natural (de que uma queda na pressão está ligada a uma queda na temperatura) também é o motivo pelo qual uma lata de tinta spray resfria-se quando a tinta é espirrada: a pressão interna da lata está caindo. Na microgravidade, BECs podem descomprimir a temperaturas mais baixas que qualquer instrumento no solo.

O “pacote de física” do Laboratório de Átomos Frios (CAL), dentro do qual as nuvens de átomos ultrafrias são geradas (NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn)

No momento, o Laboratório está em fase de comissionamento, na qual a equipe de operações conduz uma longa série de testes para entender por completo como a instalação funciona na microgravidade. Além dos BECs feitos de átomos de rubídio, a equipe do CAL está trabalhando para criar BECs de dois isótopos de potássio.

“Há uma equipe global de cientistas pronta e animada para usar esta instalação”, comentou Kamal Oudrhiri, gerente de missão do CAL no JPL. “A diversa gama de experimentos que eles planejam executar indica que há muitas técnicas para manipular e resfriar os átomos que precisamos para adaptar à microgravidade, antes de passarmos o instrumentos aos investigadores principais para iniciar as operações científicas.” A fase científica deve começar no início de setembro e durará no mínimo três anos.

O Laboratório foi lançado à ISS em 21 de maio a bordo de uma espaçonave cargueira Cygnus, da Northrop Grumman, da Instalação de Voo de Wallops, Virgínia. Projetado e construído no JPL, o CAL é patrocinado pelo programa da ISS no Centro Espacial Johnson, da NASA, em Houston, e o Divisão de Pesquisa e Aplicações de Vida no Espaço e Ciências Físicas (SLPSRA) da Diretoria de Missões de Exploração e Operações Tripuladas, no QG da NASA, na capital Washington.