Los científicos del Laboratorio de Átomo Frío de la NASA preparan el escenario para la química cuántica en el espacio

Por primera vez en el espacio, los científicos han creado una mezcla de dos gases cuánticos formada por dos tipos de átomos. Junto con el Laboratorio de Átomo Frío de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional, el avance marca otro paso hacia llevar al espacio tecnologías cuánticas que actualmente solo están disponibles en la Tierra.

Parte de una colaboración dirigida por el profesor Nicholas Bigelow, físico de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH), Universidad de Rochester, proporcionó los cálculos teóricos necesarios para este logro. Si bien las herramientas cuánticas ya se utilizan en todo, desde teléfonos móviles hasta GPS y dispositivos médicos, en el futuro las herramientas cuánticas podrían utilizarse para ampliar el estudio de los planetas, incluido el nuestro, así como para ayudar a resolver los misterios del universo y profundizar. Nuestro entendimiento. Comprender las leyes básicas de la naturaleza.

Se describe el nuevo trabajo, realizado de forma remota por científicos en la Tierra naturaleza.

Con esta nueva capacidad, ahora es posible estudiar no sólo las propiedades cuánticas de los átomos individuales, sino también la química cuántica, que se centra en cómo los isótopos de diferentes elementos atómicos interactúan entre sí en un estado cuántico. Los investigadores podrán realizar una amplia gama de experimentos con Cold Atom Lab y aprender más sobre cómo realizarlos en microgravedad. Este conocimiento será necesario para utilizar una instalación única para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas basadas en el espacio.

Química cuántica

El mundo físico que nos rodea está formado por átomos y moléculas unidos según un conjunto de reglas. Pero diferentes reglas pueden ser más fuertes o más débiles según el entorno que tienen los átomos y las moléculas, como la microgravedad. Los científicos utilizan el Cold Atom Lab para explorar escenarios en los que la naturaleza cuántica de los átomos domina su comportamiento. Esto podría significar que en lugar de actuar como bolas de billar sólidas, los átomos y las moléculas se comportan más como ondas.

En uno de estos escenarios, los átomos de moléculas de dos o tres átomos pueden permanecer unidos entre sí pero alejarse unos de otros, casi como si las moléculas se hubieran desgarrado. Para estudiar estos estados, los científicos primero necesitan ralentizar los átomos. Al enfriarlos, pueden alcanzar temperaturas de al menos un grado por encima de la materia y son mucho más fríos que cualquier cosa en el universo natural: cero absoluto, o menos 273 grados Celsius.

Los físicos han creado estas delgadas moléculas en experimentos nucleares fríos en la Tierra, pero son extremadamente frágiles y se descomponen rápidamente o regresan a su estado molecular normal. Por este motivo, nunca se han obtenido imágenes directas de moléculas extendidas con tres átomos. Las moléculas críticas pueden existir en microgravedad durante largos períodos de tiempo y potencialmente pueden crecer más, por lo que los físicos están entusiasmados de comenzar a experimentar con las nuevas capacidades del Cold Atom Lab.

Es posible que tales moléculas no existan en la naturaleza, pero es posible que se puedan usar para crear detectores sensibles que podrían detectar cambios sutiles en la fuerza de un campo magnético, por ejemplo, o cualquier otra perturbación que pudiera causar su rotura. Desintegración o desintegración.

Un misterio moderno

«Ahora tenemos, por ejemplo, formas completamente nuevas de comprobar la ecuación de estado de Einstein, uno de los supuestos más fundamentales de la física fundamental», afirma Nissor Galol del Instituto de Óptica Cuántica de LUH y coautor del nuevo estudio. El famoso principio es que la gravedad afecta a todos los objetos, independientemente de su masa. Es un principio que muchos profesores de física demostrarán colocando una pluma y un martillo en una cámara de vacío sellada y demostrando que, en ausencia de fricción del aire, ambos caen al mismo ritmo.

Utilizando un instrumento llamado interferómetro atómico, los científicos ya han realizado experimentos en la Tierra para ver si el principio de equivalencia es válido a escala atómica. Utilizando el gas cuántico con dos tipos de átomos y un interferómetro en la microgravedad de la estación espacial, podrán medirlo con mayor precisión de la que es posible en la Tierra. Al hacerlo, pueden aprender si hay un punto en el que la gravedad no trata toda la materia por igual, lo que indica que hay un error (aunque pequeño) en la teoría general de la relatividad.

El principio de equivalencia es parte de la teoría general de Albert Einstein, la columna vertebral de la física gravitacional moderna, que explica cómo se comportan los objetos masivos, como los planetas y las galaxias. Pero uno de los grandes misterios de la física moderna es por qué las leyes de la gravedad coinciden con las leyes de la física cuántica, que describen el comportamiento de objetos diminutos como los átomos. Se ha demostrado que ambos campos son correctos una y otra vez en sus respectivos campos de medición, pero los físicos no han logrado unificarlos completamente en una sola descripción del universo.

La teoría de Einstein sobre el descubrimiento de las propiedades de la gravedad no explicaba una manera de encontrar una fuente o de conocer la naturaleza de la energía oscura, el misterioso motor detrás de la rápida expansión del universo.

Mejor sensor

Los científicos ya tienen ideas más allá de probar la física básica en microgravedad. También han propuesto experimentos espaciales que pueden utilizar interferómetros atómicos y gases cuánticos para medir la gravedad con alta precisión y observar cambios a gran escala en la Tierra. Lo que aprendan puede conducir al desarrollo de sensores de precisión para una amplia gama de aplicaciones como la geofísica, la investigación climática o la navegación espacial.

La calidad de estos sensores dependerá de qué tan bien los científicos comprendan el comportamiento de estos átomos en microgravedad, incluida la forma en que estos átomos interactúan entre sí. La introducción de herramientas para controlar los átomos, como los campos magnéticos, puede hacer que se repelan como el aceite y el agua o se peguen como la miel. Comprender estas interacciones es uno de los principales objetivos del Cold Atom Lab y su sucesor BECCAL, un proyecto conjunto de la NASA y la Agencia Aeroespacial Alemana (DLR).