NASA demonstra sensor quântico ‘ultra-legal’ pela primeira vez no espaço

O Laboratório de Átomos Frios da NASA, uma instalação pioneira a bordo da Estação Espacial Internacional, deu mais um passo em direção à revolução de como a ciência quântica pode ser usada no espaço. Membros da equipe científica mediram vibrações sutis da estação espacial com uma das ferramentas de bordo do laboratório — a primeira vez que átomos ultrafrios foram empregados para detectar mudanças no ambiente ao redor no espaço.

O estudo, que apareceu em Comunicações da Natureza em 13 de agosto, também relata a mais longa demonstração da natureza ondulatória dos átomos em queda livre no espaço.

A equipe científica do Cold Atom Lab fez suas medições com uma ferramenta quântica chamada interferômetro atômico, que pode medir precisamente a gravidade, campos magnéticos e outras forças. Cientistas e engenheiros na Terra usam essa ferramenta para estudar a natureza fundamental da gravidade e avançar tecnologias que auxiliam a navegação de aeronaves e navios. (Celulares, transistores e GPS são apenas algumas outras tecnologias importantes baseadas na ciência quântica, mas não envolvem interferometria atômica.)

Os físicos têm estado ansiosos para aplicar a interferometria atômica no espaço porque a microgravidade ali permite tempos de medição mais longos e maior sensibilidade do instrumento, mas o equipamento extremamente sensível tem sido considerado muito frágil para funcionar por longos períodos sem assistência prática. O Cold Atom Lab, que é operado remotamente da Terra, agora mostrou que é possível.

“Alcançar esse marco foi incrivelmente desafiador, e nosso sucesso nem sempre foi garantido”, disse Jason Williams, cientista do projeto Cold Atom Lab no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia. “Foi preciso dedicação e senso de aventura da equipe para fazer isso acontecer.”

Poder de precisão

Sensores baseados no espaço que podem medir a gravidade com alta precisão têm uma ampla gama de aplicações potenciais. Por exemplo, eles podem revelar a composição de planetas e luas em nosso sistema solar, porque diferentes materiais têm diferentes densidades que criam variações sutis na gravidade.

Esse tipo de medição já está sendo realizado pela colaboração EUA-Alemanha GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), que detecta pequenas mudanças na gravidade para rastrear o movimento da água e do gelo na Terra. Um interferômetro atômico poderia fornecer precisão e estabilidade adicionais, revelando mais detalhes sobre mudanças na massa da superfície.

Medições precisas da gravidade também podem oferecer insights sobre a natureza da matéria escura e da energia escura, dois grandes mistérios cosmológicos. A matéria escura é uma substância invisível cinco vezes mais comum no universo do que a matéria “regular” que compõe planetas, estrelas e tudo o mais que podemos ver. Energia escura é o nome dado ao condutor desconhecido da expansão acelerada do universo.

“A interferometria atômica também pode ser usada para testar a teoria da relatividade geral de Einstein de novas maneiras”, disse o professor Cass Sackett da Universidade da Virgínia, um dos principais pesquisadores do Cold Atom Lab e coautor do novo estudo. “Esta é a teoria básica que explica a estrutura em larga escala do nosso universo, e sabemos que há aspectos da teoria que não entendemos corretamente. Esta tecnologia pode nos ajudar a preencher essas lacunas e nos dar uma imagem mais completa da realidade que habitamos.”

Um laboratório portátil

Do tamanho de uma minigeladeira, o Cold Atom Lab foi lançado para a estação espacial em 2018 com o objetivo de avançar a ciência quântica ao colocar uma instalação de longo prazo no ambiente de microgravidade da órbita baixa da Terra. O laboratório resfria átomos a quase zero absoluto, ou menos 459 graus Fahrenheit (menos 273 graus Celsius).

Nessa temperatura, alguns átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein, um estado da matéria em que todos os átomos essencialmente compartilham a mesma identidade quântica. Como resultado, algumas das propriedades quânticas tipicamente microscópicas dos átomos se tornam macroscópicas, tornando-as mais fáceis de estudar.

Propriedades quânticas incluem às vezes agir como partículas sólidas e às vezes como ondas. Cientistas não sabem como esses blocos de construção de toda a matéria podem transitar entre comportamentos físicos tão diferentes, mas eles estão usando tecnologia quântica como a que está disponível no Cold Atom Lab para buscar respostas.

Em microgravidade, os condensados ​​de Bose-Einstein podem atingir temperaturas mais frias e existir por mais tempo, dando aos cientistas mais oportunidades de estudá-los. O interferômetro atômico está entre várias ferramentas na instalação que permitem medições de precisão ao aproveitar a natureza quântica dos átomos.

Devido ao seu comportamento ondulatório, um único átomo pode simultaneamente viajar por dois caminhos fisicamente separados. Se a gravidade ou outras forças estiverem agindo sobre essas ondas, os cientistas podem medir essa influência observando como as ondas se recombinam e interagem.

“Espero que a interferometria atômica baseada no espaço leve a novas descobertas interessantes e tecnologias quânticas fantásticas que impactem a vida cotidiana e nos transportem para um futuro quântico”, disse Nick Bigelow, professor da Universidade de Rochester, em Nova York, e principal pesquisador do Cold Atom Lab para um consórcio de cientistas dos EUA e da Alemanha, coautores do estudo.