Para fazer algumas das medições mais precisas que podemos do mundo ao nosso redor, os cientistas tendem a ir pequenos – até a escala atômica, usando uma técnica chamada interferometria atômica.
Agora, pela primeira vez, os cientistas realizaram este tipo de medição no espaço, usando um foguete de sondagem especialmente projetado para transportar cargas úteis científicas para o espaço inferior da Terra.
É um passo significativo para ser capaz de realizar interferometria de ondas de matéria no espaço, para aplicações científicas que vão da física fundamental à navegação.
“Estabelecemos a base tecnológica para interferometria atômica a bordo de um foguete de sondagem e demonstramos que tais experimentos não são apenas possíveis na Terra, mas também no espaço”, disse o físico Patrick Windpassinger, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha.
A interferometria é um conceito relativamente simples. Você pega duas ondas idênticas, separa-as, recombina-as e usa a pequena diferença entre elas – chamada de mudança de fase – para medir a força que causou aquela distância.
Isso é chamado de padrão de interferência. Um exemplo famoso é o interferômetro de luz do LIGO, que mede ondas gravitacionais: um feixe de luz é dividido em dois túneis com quilômetros de extensão, rebatido em espelhos e recombinado. O padrão de interferência resultante pode ser usado para detectar as ondas gravitacionais causadas pela colisão de buracos negros a milhões de anos-luz de distância.
A interferometria atômica, aproveitando o comportamento de onda dos átomos, é um pouco mais complicada de se conseguir, mas tem a vantagem de ser um aparelho muito menor. Seria muito útil no espaço, onde poderia ser usado para medir coisas como a gravidade com um alto nível de precisão; então, uma equipe de pesquisadores alemães vem trabalhando há anos para tentar fazer isso acontecer.
O primeiro passo é criar um estado da matéria denominado condensado de Bose-Einstein. São formados a partir de átomos resfriados a apenas uma fração acima do zero absoluto (mas não atingindo o zero absoluto, ponto no qual os átomos param de se mover). Isso faz com que eles afundem ao seu estado de energia mais baixa, movendo-se extremamente lentamente e se sobrepondo na superposição quântica – produzindo uma nuvem de átomos de alta densidade que age como um ‘superatomo’ ou onda de matéria.
Este é um ponto de partida ideal para interferometria, porque os átomos estão todos se comportando de forma idêntica, e a equipe conseguiu a criação de um condensado de Bose-Einstein no espaço pela primeira vez usando seu foguete de sondagem em 2017, com um gás de átomos de rubídio.
“Para nós, este conjunto ultracold representou um ponto de partida muito promissor para a interferometria atômica”, disse Windpassinger.
Para o próximo estágio de sua pesquisa, eles tiveram que separar e recombinar os átomos sobrepostos. Mais uma vez, os pesquisadores criaram seu condensado de Bose-Einstein de rubídio, mas desta vez eles usaram lasers para irradiar o gás, fazendo com que os átomos se separassem e depois voltassem a se unir em superposição.
O padrão de interferência resultante mostrou uma clara influência do ambiente de microgravidade do foguete de sondagem, sugerindo que, com um pouco de refinamento, a técnica poderia ser usada para medir esse ambiente com alta precisão.
A próxima etapa da pesquisa, planejada para 2022 e 2023, é tentar o teste novamente usando condensados de rubídio e potássio separados de Bose-Einstein para observar sua aceleração em queda livre.
Como os átomos de rubídio e potássio têm massas diferentes, este experimento será, disseram os pesquisadores, um teste interessante do princípio de equivalência de Einstein, que afirma que a gravidade acelera todos os objetos igualmente, independentemente de sua própria massa.
O princípio já foi investigado no espaço antes, como pode ser observado no famoso experimento com pena e martelo conduzido pelo comandante da Apollo 15 David Scott na lua. O princípio da equivalência é uma das pedras angulares da relatividade geral, e a relatividade tende a quebrar no reino quântico, então os experimentos planejados são definidos para serem muito interessantes.
E isso só vai ficar mais interessante no futuro. Foguetes de sondagem sobem e descem em voos suborbitais, mas há planos para realizar ainda mais experimentos de condensado de Bose-Einstein na órbita da Terra.
“Realizar esse tipo de experimento seria um objetivo futuro em satélites ou na Estação Espacial Internacional ISS, possivelmente dentro do BECCAL, o Laboratório de Condensação e Átomo Frio de Bose Einstein, que está atualmente em fase de planejamento”, disse o físico André Wenzlawski, da Universidade Johannes Gutenberg Mainz na Alemanha.
“Nesse caso, a precisão alcançável não seria restringida pelo tempo limitado de queda livre a bordo de um foguete.”
Em poucos anos, poderíamos estar usando a interferometria atômica para aplicações como testes quânticos de relatividade geral, detecção de ondas gravitacionais e até mesmo a busca de matéria escura e energia escura.
Mal podemos esperar para ver o que acontece a seguir.
Publicado em 15/04/2021 10h41
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