Las burbujas ultrafrías en la estación espacial abren nuevos horizontes para la investigación cuántica

Las burbujas ultrafrías se han producido dentro del Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA y ofrecen nuevas oportunidades para experimentar con un estado exótico de la materia.

Desde los días del programa Apolo de la NASA, los astronautas han documentado (y experimentado) cómo los fluidos se comportan de manera diferente en microgravedad que en la Tierra, fusionándose en bolas flotantes en lugar de gotas pesadas en el fondo. Ahora, los investigadores han demostrado este efecto utilizando un material mucho más exótico: enfriar el gas hasta casi el cero absoluto (menos 459 grados Fahrenheit, o menos 273 grados Celsius), la temperatura más baja que puede alcanzar la sustancia.

Usando el Cold Atom Lab de la NASA, el primero de su tipo Física cuántica A bordo de la Estación Espacial Internacional, los investigadores tomaron muestras de átomos enfriados dentro de una millonésima de grado por encima del cero absoluto y los formaron en esferas huecas y muy delgadas. El gas frío comienza en una burbuja pequeña y redonda, como la yema de un huevo, y se convierte en algo parecido a cáscaras de huevo delgadas. En la Tierra, intentos similares se desmoronan: los átomos se unen hacia abajo, formando algo más parecido a una lente de contacto que a una burbuja.

El maestro describió en un nuevo artículo de investigación publicado en línea el miércoles 18 de mayo en la revista templar la naturaleza—Sólo puede en entorno de microgravedad en la estación espacial.

Las burbujas ultra frías podrían eventualmente usarse en nuevos tipos de experimentos con materia aún más exótica: un quinto estado de la materia (diferente de los gases, líquidos, sólidos y plasmas) llamado condensado de Bose-Einstein (BEC). En BEC, los científicos pueden observar las propiedades cuánticas de los átomos a una escala que se puede ver a simple vista. Por ejemplo, los átomos y las partículas a veces se comportan como sólidos y a veces como ondas, una propiedad cuántica llamada «Dualidad onda-partícula. «

El trabajo no requiere la ayuda de un astronauta. Las burbujas ultrafrías se hacen dentro de una cámara de vacío hermética en Cold Atom Lab utilizando campos magnéticos para procesar suavemente el gas en diferentes formas. El laboratorio en sí, del tamaño de un pequeño puente, se opera de forma remota desde JPL.

Las burbujas más grandes tienen aproximadamente 1 milímetro de diámetro y 1 micrón de espesor (una milésima de milímetro o 0,00004 pulgadas). Es tan delgado y diluido que solo se componen de él miles de átomos. En comparación, un milímetro cúbico de aire en la Tierra contiene alrededor de mil millones de billones de moléculas.

«Estas no son como las pompas de jabón regulares», dijo David Aveline, autor principal del nuevo trabajo y miembro del equipo científico del Laboratorio de Átomos Fríos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. «Nada de lo que conocemos en la naturaleza es tan frío como los gases atómicos producidos en un laboratorio de átomos fríos. Así que comenzamos con este gas único y estudiamos cómo se comporta cuando se forma en geometrías radicalmente diferentes. Históricamente, cuando una sustancia se manipula de esta manera , la física puede surgir muy interesante, así como nuevas aplicaciones.”

Por qué eso importa»

Exponer los materiales a diferentes condiciones físicas es fundamental para su comprensión. También suele ser el primer paso para encontrar aplicaciones prácticas para estos materiales.

La realización de este tipo de experimentos en la estación espacial utilizando el Laboratorio de átomos fríos permite a los científicos eliminar los efectos de la gravedad, que suele ser la fuerza dominante que influye en el movimiento y el comportamiento de los fluidos. Al hacer esto, los científicos pueden comprender mejor otros factores que influyen, como la tensión superficial o la viscosidad de un líquido.

Ahora que los científicos han creado las burbujas ultrafrías, su próximo paso será transferir el gas ultrafrío que forma las burbujas a un estado BEC y ver cómo se comporta.

“Algunos trabajos teóricos sugieren que si trabajamos con una de estas burbujas presentes en el estado BEC, podríamos formar remolinos«Esencialmente, pequeños vórtices, en materia cuántica”, dijo Nathan Lundblad, profesor de física en Bates College en Lewiston, Maine e investigador principal del nuevo estudio. «Este es un ejemplo de una formación física que puede ayudarnos a comprender mejor BEC. propiedades y obtener más información sobre la naturaleza de la materia cuántica”.

El campo de la ciencia cuántica ha llevado al desarrollo de tecnologías modernas como los transistores y los láseres. Las investigaciones cuánticas realizadas en la órbita de la Tierra podrían conducir a mejoras en los sistemas de navegación de naves espaciales y sensores para estudiar la Tierra y otros cuerpos del sistema solar. Las instalaciones de maíz ultrafrío han estado operando sobre el terreno durante décadas; Sin embargo, en el espacio, los investigadores pueden estudiar átomos ultrafríos y BEC de nuevas formas porque se reducen los efectos de la gravedad. Esto permite a los investigadores alcanzar regularmente temperaturas más frías y observar fenómenos durante más tiempo que en la Tierra.

«Nuestro objetivo principal con Cold Atom Lab es la investigación básica: queremos utilizar el entorno espacial único de la estación espacial para explorar la naturaleza cuántica de la materia», dijo Jason Williams, científico del proyecto Cold Atom Lab en JPL. «Estudiar átomos ultrafríos en nuevas geometrías es un buen ejemplo de esto».