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

Este video animado muestra seis láseres finamente sintonizados que se utilizan dentro del Laboratorio Cold Atom de la NASA para reducir la velocidad de los átomos y reducir su temperatura. Este es el primer paso en un proceso de enfriamiento de tres pasos. 
Crédito: NASA / JPL-Caltech

Un nuevo estudio describe cómo la misión se convirtió en la primera en hacer un quinto estado de la materia en órbita terrestre, y las ventajas de estudiar átomos en el espacio.

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 cambió la Física.

Un nuevo estudio en la revista Nature se basa en ese legado. En Julio de 2018, el Cold Atom Lab de (Laboratorio de Átomos Fríos) la NASA se convirtió en la primera instalación en producir ese quinto estado de la materia, llamado condensado de Bose-Einstein (BEC), en órbita terrestre. 

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 formas que no serían posibles 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.

Lo sepan o no, la ciencia cuántica toca nuestras vidas cada día. La mecánica cuántica se refiere a la rama de la Física que se centra en el comportamiento de los átomos y las partículas subatómicas, y es una parte fundamental de muchos componentes en muchas tecnologías modernas, incluidos los teléfonos celulares y las computadoras, 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 reino de nuestro universo.

«Incluso desde el momento en que se hicieron los primeros condensados ​​de Bose-Einstein, los físicos reconocieron cómo 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 cero casi absoluto, o la temperatura a la que los átomos deberían dejar de moverse por completo? 
Los miembros del equipo Cold Atom Lab de la NASA lo explican. 
Crédito: 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, por lo que en la Tierra los átomos son arrastrados por la gravedad y caen rápidamente al piso 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, igual que los astronautas a bordo. 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. Use esta herramienta interactiva para ver de cerca la estación espacial, o vea la experiencia interactiva completa en Eyes on the Solar System . 
Crédito: NASA / JPL-Caltech

Experimentos anteriores de átomos ultrafríos 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 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 paquete pequeño.

«Realmente creo que acabamos de comenzar a arañar 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 hace con esta capacidad 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

Para obtener más información sobre Cold Atom Lab, vaya aquí:

https://coldatomlab.jpl.nasa.gov /

Para obtener más información sobre cuán fríos son los átomos en Cold Atom Lab, vaya aquí:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7311

Para obtener más información sobre la reciente actualización de la instalación, vaya aquí:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7660

Fuente: NASA / Jet Propulsion Laboratory (JPL) / California Institute of Technology (Calthec).

Artículo original: NASA’s Cold Atom Lab Takes One Giant Leap for Quantum Science. Calla Cofield. June 12, 2020.

Material relacionado:

A modo de ejemplo presento a continuación en videos, solo algunos de los muchos experimentos que se llevaron adelante en microgravedad.

Los investigadores que experimentaron con llamas a bordo de la Estación Espacial Internacional, nos muestran la forma de la llama de una vela en microgravedad y también una forma extraña y ardiente de fuego que podría ayudar a mejorar la eficiencia de los motores de automóviles:

El comentarista de la Estación Espacial Live Pat Ryan habla con el Dr. Tom Avedisian de la Universidad de Cornell, uno de los investigadores del experimento FLEX-2, acerca de su investigación sobre las características esféricas especiales de la quema de gotitas de combustible en el espacio:

El Dr. Don Pettit realiza una serie de experimentos de microgravedad a bordo de la Estación Espacial Internacional. Esta es una recopilación de los experimentos realizados para el programa Saturday Morning Science:

El proceso de ebullición es común en muchos campos de ingeniería, tales como aplicaciones ambientales y procesos químicos industriales. Comprender la dinámica de la ebullición es esencial para mejorar la producción y conversión de energía en las centrales eléctricas, y para diseñar futuras aplicaciones espaciales como el almacenamiento de combustible criogénico y la propulsión.

En la Tierra, el proceso ocurre demasiado rápido para ser observado y medido con precisión. Pero los experimentos realizados en entornos de baja gravedad, como en la Estación Espacial Internacional, nos permiten observar fenómenos como la transición de fase y la aparición de burbujas mucho más claramente.

El siguiente video lo presenta:

Un extracto de la Declaración de Misión del Programa de Investigación de Microgravedad de la NASA:

Utilizar el entorno de microgravedad del espacio como herramienta para
conocimiento avanzado; usar el espacio como laboratorio para explorar la naturaleza de fenómenos físicos, que contribuyen al progreso en ciencia y tecnología en la Tierra; y estudiar el papel de la gravedad en la tecnología de procesos, construyendo una base científica para comprender las consecuencias de los entornos gravitacionales más allá de los límites de la Tierra.

El lector puede consultar el Programa de Investigación en Microgravedad de la NASA en la ISS en las distintas áreas de estudio:

¿Qué se está investigando ahora en la ISS?

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