Natália P. Martins
RedatoraPesquisadores chineses conseguiram resfriar átomos de rubídio a uma temperatura equivalente a 9,7 picokelvin, um valor extremamente próximo do zero absoluto, o limite teórico de temperatura. O experimento foi realizado a bordo da estação espacial chinesa Tiangong e estabeleceu um novo recorde de resfriamento de átomos no espaço.
Para ter uma ideia da escala, um picokelvin corresponde a um trilionésimo de kelvin. O resultado é cerca de quatro vezes mais baixo que o recorde anterior, de 38 picokelvin, registrado em um experimento realizado em uma torre de queda. Além de estabelecer uma nova marca, a pesquisa pode ajudar a desenvolver experimentos mais precisos sobre o comportamento da matéria e os fenômenos da física quântica.
A conquista foi possível graças às condições de microgravidade da estação espacial e ao uso de armadilhas ópticas, que utilizam feixes de laser para controlar os átomos. Com isso, os cientistas conseguiram observar o comportamento da nuvem atômica por mais tempo do que em experimentos anteriores.
O que acontece quando a matéria chega perto do zero absoluto?
O zero absoluto corresponde a −273,15 °C e representa o limite inferior da temperatura. Não é possível alcançá-lo exatamente, mas os cientistas conseguem resfriar átomos a valores cada vez mais próximos desse limite.
Quando a temperatura diminui, o movimento dos átomos fica mais lento. Em condições extremas, eles podem formar um estado quântico chamado condensado de Bose-Einstein. Nesse fenômeno, um conjunto de átomos passa a se comportar coletivamente, como se formasse uma única onda quântica, em vez de agir como partículas independentes.
Esse estado permite estudar propriedades da matéria que dificilmente podem ser observadas em temperaturas comuns. Também pode ser usado em pesquisas que envolvem sensores de alta precisão e testes de princípios fundamentais da física.
O desafio é manter os átomos extremamente frios por tempo suficiente para realizar as medições. Na Terra, a gravidade faz com que a nuvem de átomos caia, o que limita o período de observação e pode interferir nos resultados. No espaço, a microgravidade permite acompanhar sua expansão por mais tempo.
Como os cientistas conseguiram atingir uma temperatura tão baixa?
O experimento começou com aproximadamente 20 mil átomos de rubídio. Primeiro, os pesquisadores utilizaram lasers para reduzir a velocidade das partículas. Depois, aplicaram uma técnica chamada resfriamento evaporativo, que consiste em retirar os átomos com maior energia do conjunto. Com menos partículas energéticas, a temperatura dos átomos restantes diminui.
Em seguida, a equipe transferiu a nuvem de átomos para uma armadilha óptica, formada por feixes de laser. Esse sistema permite manter as partículas concentradas e controlar seu comportamento sem depender de campos magnéticos.
A etapa seguinte foi reduzir gradualmente a intensidade da armadilha, permitindo que a nuvem atômica se expandisse. Os pesquisadores acompanharam esse movimento em três dimensões e calcularam a temperatura equivalente a partir da velocidade de expansão das partículas.
O resultado foi de 9,7 picokelvin, com uma margem de incerteza entre 7,0 e 12,9 picokelvin. Uma das vantagens do ambiente espacial foi o tempo disponível para observar a expansão: a equipe conseguiu acompanhar a nuvem por sete segundos. Em experimentos anteriores realizados na Estação Espacial Internacional, esse período foi de aproximadamente dois segundos.
O que muda com o novo recorde?
A conquista não representa apenas uma temperatura mais baixa. Quanto mais tempo os cientistas conseguem observar átomos ultrafrios, maiores são as possibilidades de estudar suas propriedades quânticas e realizar medições com precisão.
Um dos objetivos é desenvolver experimentos com um número maior de átomos e armadilhas ópticas que possam ter seu formato e volume ajustados. Isso permitiria investigar estados incomuns da matéria, como o vidro de Bose e as chamadas fases de Mott, que apresentam comportamentos quânticos específicos.
Os pesquisadores também pretendem desenvolver interferômetros atômicos no espaço. Esses equipamentos utilizam o comportamento dos átomos como ondas para realizar medições extremamente precisas. Uma das aplicações possíveis é testar princípios fundamentais da física, como o princípio da equivalência, que está relacionado à maneira como a gravidade age sobre diferentes corpos.
Imagem de capa: Wikimedia Commons
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