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Da NASA Laboratório de Átomos Frios (CAL) é uma configuração de pesquisa inovadora que introduz uma nova fronteira da ciência quântica na Estação Espacial Internacional (ISS). No centro das observações inovadoras deste laboratório está um interferômetro atômico, uma ferramenta de medição quântica capaz de detectar gravidade, campos magnéticos e outras forças. Usando este dispositivo, os cientistas alcançaram uma série de observações inéditas.
“Foi preciso dedicação e senso de aventura da equipe para fazer isso acontecer”, disse Jason Williams, cientista do projeto Cold Atom Lab no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia. “Alcançar esse marco foi incrivelmente desafiador, e nosso sucesso nunca foi garantido.”
Trazendo a tecnologia quântica para o espaço
O interferômetro atômico, desenvolvido em 1991 e baseado em pesquisas anteriores que datam da década de 1930, foi usado anteriormente em experimentos que testavam a relatividade geral em escalas extremamente pequenas. Uma medição de desvio para o vermelho gravitacional em 2009 e um teste de 2020 do princípio de equivalência reforçaram nossa compreensão atual da relatividade. Enviar o dispositivo para a órbita é uma nova aplicação que os cientistas há muito tempo estão ansiosos para explorar. O ambiente de microgravidade do espaço melhora o tempo e a sensibilidade da medição, oferecendo novas oportunidades de descoberta.
O professor da Universidade da Virgínia Cass Sackett, um dos principais pesquisadores do Cold Atom Lab e coautor do estudo recente, enfatizou o potencial dessa tecnologia. “A interferometria atômica também pode ser usada para testar a teoria da relatividade geral de Einstein de novas maneiras. Essa teoria explica a estrutura em larga escala do nosso universo, mas sabemos que há aspectos que não entendemos completamente. Essa tecnologia pode nos ajudar a fechar essas lacunas e fornecer uma imagem mais completa da realidade que habitamos.”
Experimentos quânticos na Estação Espacial Internacional
Em 2018, a NASA enviou o CAL para a ISS. Embora tenha apenas o tamanho de uma mini geladeira, o laboratório pode resfriar átomos para formar um condensado de Bose-Einstein atingindo temperaturas próximas ao zero absoluto, especificamente -459 graus Fahrenheit (-273 graus Celsius). Isso é obtido por meio de várias técnicas de resfriamento, mais recentemente o resfriamento simpático de bósons de potássio usando gases de rubídio como reservatório. Todos os átomos compartilham a mesma identidade quântica neste estado de zero absoluto, fazendo com que suas propriedades quânticas microscópicas se manifestem em uma escala macroscópica.
No ambiente de microgravidade do espaço, esses dois fatores trabalham ainda mais efetivamente juntos, permitindo um resfriamento mais profundo e duradouro dos condensados de Bose-Einstein. Nesta forma significativamente mais lenta, o interferômetro atômico pode capturar medições quânticas que seriam impossíveis na Terra. O dispositivo dispara pulsos de luz em partículas, explorando a natureza quântica ondulatória da matéria, e um chip de IA lê os dados resultantes. De acordo com os pesquisadores, essas leituras geram medições de aceleração, rotação, gravidade e forças sutis, que “podem significar uma nova física agindo sobre a matéria”.
Resultados quânticos
Em três experimentos, a equipe demonstrou a eficácia do CAL. Eles usaram o tempo de queda livre estendido das partículas para comparar vibrações dentro da própria estação espacial, levando a uma compreensão mais precisa dos dados gerados pelo CAL. Usando um interferômetro de onda de cisalhamento, a equipe destacou o impacto da interferência da onda de matéria. Finalmente, as medições de recuo de fótons caracterizaram a difração de onda de Bragg, esclarecendo ainda mais os dados.
Esses experimentos estabeleceram a base para futuras pesquisas a bordo da ISS. Enquanto experimentos anteriores baseados na Terra replicaram parcialmente as condições de microgravidade, esses testes práticos no espaço foram os primeiros do tipo. Com os testes e a coleta bem-sucedidos de dados de base, uma base sólida para experimentos futuros está agora em vigor.
Um futuro quântico surgindo do frio
Com essa base estabelecida, os autores do estudo preveem inúmeras aplicações futuras para CAL e interferometria de gravidade zero de forma mais ampla. Áreas potenciais de pesquisa incluem sensoriamento inercial de alta precisão para testar física fundamental em voos espaciais e atingir novas temperaturas ultrabaixas em gases atômicos.
“Espero que a interferometria atômica baseada no espaço leve a novas descobertas emocionantes e tecnologias quânticas fantásticas que impactarão a vida cotidiana e nos transportarão para um futuro quântico”, comentou Nick Bigelow, professor da Universidade de Rochester em Nova York e coautor do estudo.
Ryan Whalen cobre ciência e tecnologia para o The Debrief. Ele é bacharel em História e mestre em Biblioteconomia e Ciência da Informação com certificado em Ciência de Dados. Ele pode ser contatado em ryan@thedebrief.orge siga-o no Twitter @mdntwvlf.
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