Produzidas dentro do Cold Atom Lab da NASA, as bolhas ultrafrias oferecem novas oportunidades para experimentar um estado exótico da matéria.
Desde os dias do programa Apollo da NASA, os astronautas documentaram (e discutiram) como os líquidos se comportam de maneira diferente na microgravidade do que na Terra – coalescendo em esferas flutuantes em vez de gotículas pesadas no fundo. Agora, os pesquisadores demonstraram esse efeito com um material muito mais exótico:gás resfriado a quase zero absoluto (menos 459 graus Fahrenheit, ou menos 273 graus Celsius), a temperatura mais baixa que a matéria pode atingir.

Usando o Cold Atom Lab da NASA, a primeira instalação de física quântica a bordo da Estação Espacial Internacional, os pesquisadores coletaram amostras de átomos resfriados a um milionésimo de grau acima do zero absoluto e os moldaram em esferas extremamente finas e ocas. O gás frio começa em uma pequena bolha redonda, como uma gema de ovo, e é esculpida em algo mais parecido com uma fina casca de ovo. Na Terra, tentativas semelhantes fracassam:os átomos se juntam para baixo, formando algo mais próximo de uma lente de contato do que de uma bolha.

O marco - descrito em um novo artigo publicado on-line na quarta-feira, 18 de maio, na revista Nature — só é possível no ambiente de microgravidade da estação espacial.

As bolhas ultrafrias poderiam eventualmente ser usadas em novos tipos de experimentos com um material ainda mais exótico:um quinto estado da matéria (distinto de gases, líquidos, sólidos e plasmas) chamado condensado de Bose-Einstein (BEC). Em um BEC, os cientistas podem observar as propriedades quânticas dos átomos em uma escala visível a olho nu. Por exemplo, átomos e partículas às vezes se comportam como objetos sólidos e às vezes se comportam como ondas — uma propriedade quântica chamada "dualidade onda-partícula".

O trabalho não requer assistência de astronautas. As bolhas ultrafrias são feitas dentro da câmara de vácuo hermeticamente selada do Cold Atom Lab, usando campos magnéticos para manipular suavemente o gás em diferentes formas. E o próprio laboratório – que tem aproximadamente o tamanho de um frigobar – é operado remotamente a partir do JPL.

As maiores bolhas têm cerca de 1 milímetro de diâmetro e 1 mícron de espessura (isso é um milésimo de milímetro, ou 0,00004 polegadas). Eles são tão finos e diluídos que apenas milhares de átomos os compõem. Em comparação, um milímetro cúbico de ar na Terra contém algo em torno de um bilhão de trilhões de moléculas.

"Estas não são como as bolhas de sabão comuns", disse David Aveline, principal autor do novo trabalho e membro da equipe científica do Cold Atom Lab no Jet Propulsion Laboratory da NASA no sul da Califórnia. "Nada que conhecemos na natureza fica tão frio quanto os gases atômicos produzidos no Cold Atom Lab. Então começamos com esse gás único e estudamos como ele se comporta quando moldado em geometrias fundamentalmente diferentes. E, historicamente, quando um material é manipulado dessa forma, física muito interessante pode surgir, bem como novas aplicações."

Por que isso 'importa'

Expor materiais a diferentes condições físicas é fundamental para entendê-los. Muitas vezes, também é o primeiro passo para encontrar aplicações práticas para esses materiais.

A realização desses tipos de experimentos na estação espacial usando o Cold Atom Lab permite que os cientistas removam os efeitos da gravidade, que geralmente é a força dominante que afeta o movimento e o comportamento dos fluidos. Ao fazer isso, os cientistas podem entender melhor os outros fatores em jogo, como a tensão superficial ou a viscosidade de um líquido.

Agora que os cientistas criaram as bolhas ultrafrias, o próximo passo será fazer a transição do gás ultrafrio que compõe as bolhas para o estado BEC e ver como ele se comporta.

“Alguns trabalhos teóricos sugerem que, se trabalharmos com uma dessas bolhas que está no estado BEC, podemos formar vórtices – basicamente, pequenos redemoinhos – no material quântico”, disse Nathan Lundblad, professor de física da Bates. College em Lewiston, Maine, e o principal investigador do novo estudo. “Esse é um exemplo de uma configuração física que pode nos ajudar a entender melhor as propriedades do BEC e obter mais informações sobre a natureza da matéria quântica”.

O campo da ciência quântica levou ao desenvolvimento de tecnologias modernas, como transistores e lasers. Investigações quânticas feitas na órbita da Terra podem levar a melhorias nos sistemas de navegação de naves espaciais e sensores para estudar a Terra e outros corpos do sistema solar. Instalações de átomos ultrafrios estão em operação na Terra há décadas; no entanto, no espaço, os pesquisadores podem estudar átomos ultrafrios e BECs de novas maneiras porque os efeitos da gravidade são reduzidos. Isso permite que os pesquisadores atinjam regularmente temperaturas mais frias e observem fenômenos por mais tempo do que podem na Terra.

"Nosso objetivo principal com o Cold Atom Lab é a pesquisa fundamental - queremos usar o ambiente espacial único da estação espacial para explorar a natureza quântica da matéria", disse Jason Williams, cientista do projeto do Cold Atom Lab no JPL. "Estudar átomos ultrafrios em novas geometrias é um exemplo perfeito disso." + Explorar mais

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