Os físicos criam a exótica "quinta forma da matéria" a bordo da ISS

Os físicos criam a exótica "quinta forma da matéria" a bordo da ISS
Os físicos criam a exótica "quinta forma da matéria" a bordo da ISS
Anonim

De acordo com um artigo recente na revista Nature, físicos do California Institute of Technology e do Jet Propulsion Laboratory criaram um raro estado quântico da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC) no espaço. Os físicos fizeram isso colocando uma configuração experimental compacta do tamanho de um minigeladeira a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS). É chamado de Cold Atom Laboratory (CAL), ou seja, "o lugar mais legal do universo".

O BEC tem o nome de Albert Einstein e do físico indiano Satyendra Bose, que na década de 1920 previu a possibilidade de que a natureza ondulante dos átomos poderia permitir que os átomos se espalhem e se sobreponham se compactados próximos o suficiente uns dos outros. Em temperaturas normais, os átomos agem como bolas de bilhar, quicando uns nos outros. As temperaturas mais baixas reduzem sua velocidade. Se a temperatura cair o suficiente (bilionésimos de grau acima do zero absoluto), e os átomos estiverem compactados o suficiente, ondas de diferentes substâncias podem "sentir-se" umas às outras e se coordenar, como se fossem um grande "superátomo".

Os físicos Eric Cornell e Carl Wieman, então no laboratório JILA da Universidade do Colorado, criaram os primeiros BECs no laboratório em 1995. Usando uma armadilha de laser, eles resfriaram cerca de 10 milhões de átomos de gás rubídio; os átomos resfriados foram mantidos no lugar por um campo magnético. Mas os átomos ainda não estavam frios o suficiente para formar um BEC, então eles adicionaram uma segunda etapa, o resfriamento evaporativo, no qual uma rede de campos magnéticos é coordenada para eliminar os átomos mais quentes para que os átomos mais frios possam ficar mais próximos. Esse processo funciona da mesma maneira que o resfriamento evaporativo acontece com sua xícara de café matinal - átomos mais quentes sobem para o topo de uma armadilha magnética e "saltam" como vapor.

Em setembro de 2001, mais de três dezenas de equipes repetiram o experimento. Essa descoberta marcou o início de um ramo completamente novo da física. Os BECs permitem que os cientistas explorem o estranho e pequeno mundo da física quântica como se o estivessem olhando através de uma lente de aumento; O BEC "amplifica" os átomos da mesma forma que um laser amplifica os fótons. Wiemann, Cornell e Wolfgang Ketterle compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2001 por suas realizações.

O experimento alemão MAIUS 1 (Interferometria da Onda Mãe na Microgravidade) criou o BEC no espaço em 2017, durante uma fase de voo da microgravidade de seis minutos a bordo de um foguete-sonda. O equipamento de laboratório necessário para criar um BEC na Terra leva menos de 1 m3 e requer apenas cerca de 510 watts para operar, o que o torna ideal para experimentos na ISS. O instrumento CAL foi instalado a bordo em maio de 2018. A instalação está usando átomos de rubídio para criar BECs, mas há planos para incluir átomos de potássio na mistura para estudar a física de BECs mistos.

Este é um avanço significativo porque BECs criados no espaço duram mais do que em laboratórios terrestres, mesmo depois que as armadilhas fechadas são desligadas, dando aos físicos um pouco mais de tempo para estudar o estado exótico da matéria - um segundo, em comparação com frações de segundo no chão. Como Neil Patel explica em Technology Review.

Para conduzir experimentos usando BEC, precisamos desligar ou liberar a armadilha magnética. A nuvem de átomos se expandirá, o que é útil porque os BECs devem permanecer frios e os gases tendem a esfriar à medida que se expandem. Mas se os átomos no BEC estão muito distantes, eles não se comportam mais como condensação. É aqui que a microgravidade em órbita baixa da Terra entra em jogo. Se você tentar aumentar o volume na Terra, diz o físico do JPL David Evelyn, coautor de um artigo recente na Nature, a gravidade simplesmente puxará os átomos do centro da nuvem BEC para o fundo da armadilha até que eles se espalhem, distorcendo o condensado ou destruindo-o completamente.

Mas na microgravidade, os instrumentos no CAL podem manter os átomos juntos, mesmo quando o volume da armadilha aumenta. Isso torna o condensado mais duradouro, o que permite aos cientistas estudá-lo por mais tempo do que poderiam na Terra (a demonstração inicial teve 1,18 segundo de duração, embora o objetivo seja ser capaz de explorar a nuvem por 10 segundos)).

“Faremos experimentos de BEC diariamente, por muitas horas por dia”, disse Evelyn. A ferramenta é totalmente controlada remotamente. Nós o rodamos a partir de computadores na Terra."

O CAL deveria originalmente funcionar por cerca de um ano antes que as peças de reposição fossem necessárias, mas os astronautas da ISS - especialmente Christina Koch - estavam realizando manutenção crítica para estender sua vida útil. A ferramenta está em operação há dois anos inteiros. Melhorias recentes incluem um interferômetro atômico, que pode usar o BEC para medir quaisquer mudanças na gravidade na superfície do planeta. O BEC também poderia eventualmente detectar axions, uma partícula de matéria escura teoricamente fria, ou ser usado para encontrar fontes de energia escura.

“No passado, nossa principal compreensão do funcionamento interno da natureza vinha de aceleradores de partículas e observatórios astronômicos”, disse o co-autor Robert Thompson, da Caltech. "Acredito que medições precisas usando átomos frios terão um papel cada vez mais importante no futuro."

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