O “ponto de congelamento” mais frio conhecido no universo não está no espaço profundo distante, nem nas profundezas do manto de gelo da Antártida, mas sim na Estação Espacial Chinesa.
Recentemente, o Centro de Aplicação Espacial e Tecnologia do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências realizou uma coletiva de imprensa sobre os resultados da Estação Espacial Chinesa e anunciou que, utilizando o armário de experimentos de física de átomos ultrafrios da Estação Espacial Chinesa, cientistas chineses conseguiram preparar uma nuvem de átomos de rubídio com temperatura de apenas 9,7 picokelvins, cerca de 14 ordens de grandeza inferior à temperatura ambiente, e que pode ser observada continuamente por 7 segundos. Os resultados relacionados foram publicados online no dia 6 na revista acadêmica internacional Science.
Esta nuvem de átomos é atualmente a substância artificial mais fria conhecida, com temperatura apenas cerca de nove vírgula sete trilionésimos de grau Celsius acima do zero absoluto, estabelecendo o recorde de temperatura mais baixa conhecida pela humanidade e marcando um grande passo dos cientistas chineses em direção ao zero absoluto (-273,15 °C).
A temperatura, em essência, reflete a intensidade do movimento dos átomos. Quanto mais baixa a temperatura, mais lentamente os átomos se movem. Ao resfriar os átomos até próximo do zero absoluto, eles deixam de se mover desordenadamente e tornam-se ordenados, surgindo fenômenos quânticos peculiares, como a condensação de Bose-Einstein. “Nesse estado, os átomos são como uma ‘guarda de honra’ bem treinada; os cientistas podem estudar o mundo quântico com mais facilidade e realizar pesquisas de ponta, como medições de precisão e simulações quânticas”, explicou Zhou Xiaoji, professor da Escola de Eletrônica da Universidade de Pequim e coautor correspondente do artigo.
No entanto, no solo, a gravidade puxa os átomos para baixo, a partir do fundo da “armadilha”, limitando o efeito de resfriamento. A estação espacial encontra-se em ambiente de microgravidade, onde a contenção dos átomos pode ser muito fraca, o efeito de resfriamento é melhor, a temperatura pode cair ainda mais e a observação pode durar mais tempo.
Para aproveitar as vantagens da microgravidade e obter melhores efeitos de resfriamento, o Centro de Aplicação Espacial e Tecnologia do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, a Universidade de Pequim e o Instituto de Óptica e Mecânica de Precisão de Xangai da Academia Chinesa de Ciências desenvolveram conjuntamente o armário de experimentos de física de átomos ultrafrios.
Em termos simples, este armário de experimentos é uma “geladeira superpotente” no espaço. Essa “geladeira superpotente” contém cerca de 5 gramas de rubídio metálico. Os pesquisadores primeiro aquecem o rubídio para evaporá-lo, liberando vapor de átomos de rubídio; em seguida, usam lasers e campos magnéticos para “cercar” os átomos e realizar um resfriamento preliminar; depois, adotam o esquema de resfriamento em armadilha totalmente óptica proposto pela equipe chinesa, ou seja, usam lasers para criar uma “armadilha” invisível que “prende” a nuvem de átomos, e reduzem a intensidade da luz para que os átomos fiquem ainda mais “calmos”; por fim, utilizam difusão não adiabática para um resfriamento profundo, reduzindo passo a passo a temperatura até 9,7 picokelvins.
Diferentemente do esquema internacional comumente usado de armadilha magnética em chip de átomos, o esquema chinês de armadilha óptica é mais difícil, mas tem vantagens evidentes: no espaço, é mais fácil realizar o controle preciso de múltiplos feixes de luz, é menos suscetível a interferências de campos magnéticos e facilita a realização de diversos experimentos de simulação quântica. “Anteriormente, não havia precedente internacional de preparar condensados em órbita por meio da tecnologia de resfriamento evaporativo em armadilha óptica. Propusemos um novo esquema auxiliado por força de gradiente, que possibilita o resfriamento evaporativo eficiente dos átomos e, finalmente, a obtenção de condensados de alta pureza, com potencial para descobrir novos fenômenos físicos no futuro”, disse Zhou Xiaoji.
Na verdade, o desenvolvimento dessa “geladeira superpotente” não foi fácil. O projeto começou a ser demonstrado em 2011, foi desenvolvido com sucesso em 2022 e lançado ao espaço com o módulo experimental “Mengtian”. Agora, alcançou um avanço significativo, após 15 anos.
“O armário de experimentos envolve muitos campos, como física atômica, tecnologia a laser, óptica de precisão, ultra-alto vácuo, controle automático e engenharia aeroespacial, além de atender aos requisitos de alta integração, baixo consumo de energia e alta confiabilidade aeroespaciais. Mais importante ainda, superamos diversas dificuldades de engenharia e conseguimos comprimir um sistema experimental de 20 metros cúbicos e 10 toneladas no solo em um armário de experimentos de 0,7 metro cúbico e 0,5 tonelada, o equivalente a colocar um equipamento do tamanho de uma casa dentro de uma geladeira”, disse Li Tang, pesquisador do Instituto de Óptica e Mecânica de Precisão de Xangai da Academia Chinesa de Ciências e coautor principal do artigo.
Os revisores da Science consideram que esse resultado é um marco importante no controle de precisão de átomos ultrafrios, com grande valor para a pesquisa em física básica e para aplicações como navegação espacial e observação da Terra, e que estabelece um novo recorde de expansão em ultratemperaturas. O ganhador do Prêmio Nobel de Física e professor do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Wolfgang Ketterle, também declarou: “Este é um grande feito no campo dos átomos ultrafrios” e “este feito é um bom ponto de partida para avançar na medição da temperatura atômica e em medições de precisão”.
Na coletiva de imprensa, Lü Congmin, projetista-chefe do sistema de aplicação espacial do programa espacial tripulado da China e vice-diretor do Centro de Aplicação Espacial, afirmou: “O zero absoluto nunca poderá ser alcançado, mas os passos da humanidade em direção a ele nunca cessarão. Convidamos todos a realizar experimentos no armário de experimentos de física de átomos ultrafrios da Estação Espacial Chinesa, compartilhar oportunidades experimentais e contribuir juntos para novos progressos no avanço científico e tecnológico da humanidade.”