Cold Atom Lab de la NASA da un gran salto para la ciencia cuántica.


La ilustración muestra seis láseres finamente sintonizados que se utilizan para ralentizar los átomos dentro del Cold Atom Lab de la NASA, que enfría los átomos a casi cero absoluto.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.

Este mes se cumplen 25 años desde que los científicos produjeron por primera vez un quinto estado de la materia que tiene propiedades extraordinarias totalmente diferentes a los sólidos, líquidos, gases y plasmas. El logro obtuvo un Premio Nobel y supuso un cambio para la física.

Un nuevo estudio en la revista Nature se basa en ese legado. En julio de 2018, el Cold Atom Lab de la NASA se convirtió en la primera instalación en producir ese quinto estado de la materia, en órbita terrestre, llamado condensado de Bose-Einstein (BEC). Una instalación de física fundamental en la Estación Espacial Internacional, Cold Atom Lab enfría los átomos a temperaturas ultrafrías para estudiar sus propiedades físicas básicas de forma que no sería posible desarrollar en la Tierra. Ahora, el equipo de la misión informa sobre los detalles de cómo poner en funcionamiento este laboratorio único, así como su progreso hacia un objetivo a largo plazo de usar la microgravedad para iluminar las nuevas características del mundo cuántico.

La ciencia cuántica condiciona nuestras vidas cada día. La mecánica cuántica se refiere a la rama de la física que estudia los comportamientos de los átomos y las partículas subatómicas, y es una parte fundamental de muchos componentes en muchas tecnologías modernas, incluidos los teléfonos móviles y los ordenadores, que emplean la naturaleza ondulatoria de los electrones en el silicio.

Aunque los primeros fenómenos cuánticos se observaron hace más de un siglo, los científicos todavía están aprendiendo sobre este fundamento de nuestro Universo.

“Incluso desde el momento en que se hicieron los primeros condensados ​​de Bose-Einstein, los físicos reconocieron que trabajar en el espacio podría proporcionar grandes ventajas en el estudio de estos sistemas cuánticos”, dijo David Aveline, miembro del equipo científico del Cold Atom Lab en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en el sur de California “Ha habido algunas demostraciones enfocadas a este respecto, pero ahora con la operación continua de Cold Atom Lab, estamos demostrando que hay mucho que ganar haciendo estos experimentos prolongados día tras día en órbita”.


¿Cómo enfriar los átomos a casi cero absoluto, o la temperatura a la que los átomos deben dejar de moverse por completo? Los miembros del equipo Cold Atom Lab de la NASA lo explican.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.
Más frío que frío

Cuanto más fríos son los átomos, más lento se mueven y más fáciles son de estudiar. Las instalaciones de átomos ultrafríos como Cold Atom Lab enfrían los átomos hasta una fracción de un grado por encima del cero absoluto, o la temperatura a la que teóricamente dejarían de moverse por completo.

El enfriamiento de átomos también es la única forma de producir un condensado de Bose-Einstein. Los científicos producen BEC en el vacío, en la Tierra los átomos son arrastrados por la gravedad y caen rápidamente a la base de la cámara, lo que generalmente limita los tiempos de observación a menos de un segundo. Con la ingravidez de la estación espacial, los BEC pueden flotar. Dentro de Cold Atom Lab, eso significa tiempos de observación más largos.

A diferencia de los sólidos, líquidos, gases y plasmas, los BEC no se forman naturalmente. Sirven como una herramienta valiosa para los físicos cuánticos porque todos los átomos en un BEC tienen la misma identidad cuántica, por lo que exhiben colectivamente propiedades que generalmente se muestran solo por átomos individuales o partículas subatómicas. Por lo tanto, los BEC hacen visibles esas características microscópicas a escala macroscópica.

Cold Atom Lab ha estado operando en la Estación Espacial Internacional desde 2018. Vea la experiencia interactiva completa en Eyes on the Solar System. Crédito: NASA / JPL-Caltech.

En experimentos anteriores de átomos ultrafríos se han utilizado cohetes sonoros o han dejado caer su hardware especialmente diseñado desde la parte superior de torres altas para crear segundos o minutos de ingravidez de la misma manera que lo hace un avión de gravedad cero. Desde su posición en la estación, Cold Atom Lab ha proporcionado a sus científicos miles de horas de tiempo de experimentación de microgravedad. Esto les permite repetir sus experimentos varias veces y ejercer más creatividad y flexibilidad en los experimentos que realizan.

“Con Cold Atom Lab, los científicos pueden ver sus datos en tiempo real y hacer ajustes a sus experimentos a corto plazo”, dijo Jason Williams, miembro del equipo científico de Cold Atom Lab en JPL. “Esa flexibilidad significa que podemos aprender rápidamente y abordar nuevas preguntas a medida que surjan”.

Las instalaciones de átomos ultrafríos en el espacio también deberían poder alcanzar temperaturas más frías que los laboratorios con base en la Tierra. Una forma de hacerlo es simplemente hacer que las nubes de átomos ultrafríos se expandan lentamente, lo que hace que se enfríen y es más fácil hacerlo sin la gravedad, que tira de los átomos al suelo.

Los tiempos de observación más largos y las temperaturas más frías brindan oportunidades para obtener información más profunda sobre el comportamiento de los átomos y los BEC. En la Tierra, las temperaturas más frías y los tiempos de observación más largos solo se lograron mediante experimentos con habitaciones enteras llenas de hardware dedicado o torres altas. El Cold Atom Lab, del tamaño de un lavavajillas, aún no ha establecido nuevos récords en esas categorías, pero sus capacidades básicas son de vanguardia, agrupando las capacidades de un laboratorio extremadamente grande en un pequeño paquete.

“Realmente creo que acabamos de empezar a rascar la superficie de lo que se puede hacer con experimentos de átomos ultrafríos en microgravedad”, dijo Ethan Elliott, miembro del equipo científico de Cold Atom Lab en JPL. “Estoy realmente emocionado de ver lo que la comunidad física fundamental puede hacer a largo plazo”.

Cold Atom Lab ha funcionado con éxito durante dos años, y los astronautas recientemente ayudaron a actualizar las instalaciones con una nueva herramienta llamada interferómetro atómico que usa átomos para medir con precisión las fuerzas, incluida la gravedad. El equipo confirmó recientemente que el nuevo instrumento funciona como se esperaba, lo que lo convierte en el primer interferómetro atómico que funciona en el espacio.

El nuevo estudio en Nature fue dirigido por Aveline, Williams y Elliott. Diseñado y construido en JPL, Cold Atom Lab está patrocinado por la división de Investigación y Aplicaciones de Vida Física y Ciencias Físicas (SLPSRA) de la Dirección de Misión de Exploración y Operaciones Humanas de la NASA en la sede de la agencia en Washington y el Programa de la Estación Espacial Internacional en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston.